工程界常常使用保護地線(xiàn)進(jìn)行隔離，來(lái)抑制信號間的相互干擾。的確，保護地線(xiàn)有時(shí)能夠提高信號間的隔離度，但是保護地線(xiàn)并不是總是有效的，有時(shí)甚至反而會(huì )使干擾更加惡化。使用保護地線(xiàn)必須根據實(shí)際情況仔細分析，并認真處理。

 

保護地線(xiàn)是指在兩個(gè)信號線(xiàn)之間插入一根網(wǎng)絡(luò )為GND的走線(xiàn)，用于將兩個(gè)信號隔離開(kāi)，地線(xiàn)兩端打GND過(guò)孔和GND平面相連，如圖所示。有時(shí)敏感信號的兩側都放置保護地線(xiàn)。

要想加入保護地線(xiàn)，首先必須把兩個(gè)信號線(xiàn)的間距拉開(kāi)到足以容納一根保護地線(xiàn)的空間，由于拉開(kāi)了信號線(xiàn)的間距，即使不插入保護地線(xiàn)，也會(huì )減小串擾。插入保護地線(xiàn)會(huì )有多大的作用？

 

低頻模擬信號包地

 

我們來(lái)看表層微帶線(xiàn)情況下串擾的大小。假設走線(xiàn)是50Ω阻抗控制的，線(xiàn)寬為6mil，介質(zhì)厚度為3.6mil，介電常數為4.5。并假設兩路信號都是載波頻率為30Mhz，帶寬為2Mhz的模擬信號。

 

下圖顯示了三種情況下的遠端串擾情況。當線(xiàn)間距為6mil時(shí)，由于兩條線(xiàn)緊密耦合，遠端串擾較大。把間距增加到18mil，遠端串擾明顯減小。進(jìn)一步，在兩條線(xiàn)之間加入保護地線(xiàn)，地線(xiàn)兩端使用過(guò)孔連接到地面，遠端串擾進(jìn)一步減小。

 

 

對于低頻模擬信號之間的隔離，保護地線(xiàn)的確很有用。這也是很多低頻板上經(jīng)常見(jiàn)到的“包地”的原因。但是，如果需要隔離的數字信號，情況會(huì )有所不同。我們分表層微帶線(xiàn)和內層帶狀線(xiàn)兩種情況來(lái)討論保護地線(xiàn)對數字信號的隔離效果。以下討論我沒(méi)假定PCB走線(xiàn)都是50Ω阻抗控制的。

 

表層走線(xiàn)

 

仍然使用上面的表層走線(xiàn)疊層結構，線(xiàn)寬為6mil，介質(zhì)厚度為3.6mil，介電常數為4.5。攻擊信號為上升時(shí)間Tr=200ps的階躍波形?？紤]以下三種情況下的近端串擾和遠端串擾的情況，如下圖所示，其中耦合段長(cháng)度為2000mil。

 

Case1：兩條走線(xiàn)間距gap=1w（w=6mil表示線(xiàn)寬）；

 

Case2：兩條走線(xiàn)間距gap=3w，僅僅拉大道能夠放下一條保護線(xiàn)的間距，但不適用保護線(xiàn)；

 

Case3：兩條線(xiàn)間距gap=3w，中間使用保護地線(xiàn)，并在兩端打GND過(guò)孔。

 

 

下圖顯示了三種情況下串擾波形，無(wú)論是近端串擾還是遠端串擾，走線(xiàn)間距從1w增加到3w時(shí)，串擾都明顯減小。在此基礎上，走線(xiàn)間插入保護地線(xiàn)，串擾如下圖中Case 3所示，相比Case 2，插入保護地線(xiàn)，不但沒(méi)有起到進(jìn)一步減小串擾的作用，反而增大了串擾噪聲。

 

 

這個(gè)例子表明，拉開(kāi)走線(xiàn)間距是最有效的減小串擾的方法。保護地線(xiàn)如果使用不當，可能反而會(huì )惡化串擾。因此，在使用保護地線(xiàn)時(shí)，需要根據實(shí)際情況仔細分析。保護地線(xiàn)要想起到應有的隔離作用，需要再地線(xiàn)上添加很多GND過(guò)孔，過(guò)孔間距應小于1/10λ，如圖所示。λ為信號中最高頻率成分對應的波長(cháng)。

 

 

內層走線(xiàn)

 

對于內層走線(xiàn)，如下圖所示：

 

 

介電常數為4.5，阻抗為50Ω?？紤]到下圖三種情況。攻擊信號為上升時(shí)間Tr=200ps的階躍波形，入射信號幅度500mv，耦合長(cháng)度為2000mil，近端串擾如圖所示，加入了保護地線(xiàn)，近端串擾從3.44mV進(jìn)一步減小到了0.5mV。信號隔離度提高了16B。對于內層走線(xiàn)，加入保護地線(xiàn)能夠獲得更大的隔離度。

 

 

對于表層走線(xiàn)來(lái)說(shuō)，使用密集型的GND過(guò)孔，對提升隔離效果是有好處的。但是，對于內層走線(xiàn)來(lái)說(shuō)，使用密集型的GND過(guò)孔幾乎得不到額外的好處，下圖對比了GND過(guò)孔間距為2000mil（保護地線(xiàn)兩端打GND過(guò)孔）和GND過(guò)孔間距為400mil時(shí)的近端串擾情況，串擾量幾乎沒(méi)有變化。

 

 

間距增加到5w時(shí)情況如何？

 

 

當走線(xiàn)間距進(jìn)一步加大，保護地線(xiàn)仍保持在6mil的線(xiàn)寬時(shí)，對于表層走線(xiàn)來(lái)說(shuō)，保護地線(xiàn)的作用減小。在下圖中，兩條線(xiàn)間距拉到5w時(shí)，兩種情況下近端串擾和遠端串擾量和不使用保護地線(xiàn)情況相當，沒(méi)有明顯改善。因此，對于表層走線(xiàn)來(lái)說(shuō)，走線(xiàn)間距很大時(shí)，中間再加入保護地線(xiàn)，幾乎沒(méi)有什么效果，如果處理不好反而會(huì )使串擾惡化。

 

對于內層走線(xiàn)來(lái)說(shuō)，保護地線(xiàn)仍然會(huì )起很大作用。如下圖，內層間距為5W，兩種情況下近端串擾噪聲波形如圖。中間加入了保護地線(xiàn)，能明顯改善近端串擾。

 

 

結論

 

1）保護地線(xiàn)對低頻模擬信號的隔離通常都是有效的。但是在數字信號之間的保護走線(xiàn)并不是那么有用，有時(shí)反而會(huì )使情況更惡化。

 

2）對于表層走線(xiàn)，如果保護地線(xiàn)的GDN孔間距很大，可能會(huì )使串擾更加嚴重，必須使用非常密集的GND孔才能起到隔離的效果。

 

3）對于內層走線(xiàn)，保護地線(xiàn)可以減小近端串擾。

（來(lái)源：CSDN，作者：硬件工程師煉成之路）