PCB设计师关注要点 如何减少接地噪声

本文要点

接地噪声是 PCB 上可能出现的多类信号干扰的总称，所有这些干扰类型都会影响 PCB 的工作方式。

接地噪声会带来信号完整性问题和性能问题，最终会导致 PCB 出现故障。

采用新型基板和铜连接器制作 PCB 可以大大减少噪音和电串扰的数量。

PCB 的功能取决于许多不同的因素，包括物理布局、使用的材料以及随时间变化的元件压力。PCB 元件之间的电气干扰，也被称为接地噪声，在 PCB 的运行过程中会产生广泛的不良后果。这些问题包括破坏信号完整性、意外的热变化和元件故障。因此，减少接地噪声是 PCB 设计师应首先关注的要点。本文将深入介绍如何减少接地噪声。

什么是接地噪声？

接地噪声有许多别称，其中包括电气干扰和串扰。PCB 中的电路要依靠一定量的电流和电压才能正常工作。这意味着每个电路都必须有适量的电能，而且电能必须被输送到正确的位置。如果电路之间发生意外连接，就会导致电能以意想不到的方式在电路之间溢出，从而产生接地噪声。

分析接地噪声

要确保 PCB 正常工作，分析接地噪声至关重要，在高速 PCB 中更是如此。尽管拥有许多电路的复杂 PCB 更容易产生接地噪声，但如果设计不良，即使是简单的电路布局也会产生噪声。PCB 设计软件利用噪声数字来表明 PCB 具体产生了多少接地噪声。噪声数字可以表明接地噪声的不同来源及其数值，如来自于走线之间的意外连接或热噪声。

PCB 的布局和电源需求往往意味着，给不同 PCB 带来问题的接地噪声来源各不相同。例如，较长的走线更可能存在意外连接，而大功耗 PCB 更可能存在热问题。由于总是有一些来自预期来源的噪声，因此功能上是不可能将接地噪声降低为零的；但是，我们可以尽量将噪声降至最低。

了解如何减少接地噪声的重要性

将 PCB 的接地噪声降至最低，可确保其电路的信号完整性始终完好无损。损失信号完整性会导致从短路到辐射发射等多种 PCB 问题。这些问题相互叠加会产生级联效应，从而随着时间的推移而不断增加接地噪声。当用户在 PCB 上施加电流时，两个电路离得越近，它们之间就越有可能产生串扰。借助简单的几何形状，通常可以解决此类串扰问题。

尽管降低接地噪声只是确保 PCB 实现高性能的一部分，但其可以有效规避诸如电路板故障等令人头疼的运行时间问题。性能问题也可能表现为数字网络中响应时间缓慢、数据丢失或耗电量出现峰值。

谨慎选择 PCB 材料以减少接地噪声

不同的材料具有不同的导电性，因此组合使用不同的材料是减少接地噪声的一种方法。在确定减少接地噪声的最佳途径时，必须注意 PCB 中对接地噪声影响最大的两种关键材料类型：放置元件的基板和用于导电走线的金属。

一块结构良好的 PCB 应该有强绝缘体的基板和高导电性的导线。PCB 中最常见的基板和导线材料组合是玻璃环氧树脂和铜。由于玻璃环氧树脂是一种绝缘体，在一般应用中，它能很好地让电流待在铜线内应有的位置。

然而，设计高速和高频率 PCB 是一项挑战，因为它们会自然产生大量的接地噪声。这不是材料的问题；在设计处理大量电流的 PCB 时，最强大的绝缘体和导体也会承受压力。这些材料的结构往往需要与其他 PCB 所采用的结构不同。

涉及单端微带线的新模型允许铜线以低于正常水平的阻抗发挥作用，从而增强其导电性并从整体上减少接地噪声。高导电性的铜线可同时减少多种类型的接地噪声和串扰，在高压力情况下提高信号完整性和可靠性。

了解如何减少接地噪声可以对 PCB 功能产生十分积极的影响，因此，设计师应该选用有助于关注这一重要问题的 PCB 分析软件。Cadence Design Systems 提供了分析 PCB 设计的理想工具，如 Allegro® PCB Editor软件；更有利用增强现实（AR）技术和直观互动来准确评估并改进 PCB的inspectAR™工具，实现快速、简单的PCB 检查、调试、返工和组装。