通過(guò)PCB設(shè)計(jì)實(shí)踐減輕噪聲

　　什么是地面彈跳？

　　地彈是一種噪聲，當(dāng) PCB 接地和芯片封裝接地電壓不同時(shí)，晶體管開(kāi)關(guān)期間會(huì)出現(xiàn)這種噪聲。

　　為了幫助解釋接地彈跳的概念，請(qǐng)以下面的推挽電路為例，該電路可以提供邏輯低或邏輯高輸出。

　　圖 1. 推挽電路

　　該電路由兩個(gè) MOSFET 組成：上方的 p 溝道 MOSFET 的源極連接到 Vss，漏極連接到輸出引腳。下部 n 溝道 MOSFET 的漏極連接到輸出引腳，源極接地。

　　這兩種 MOSFET 類型對(duì) MOSFET 柵極電壓具有相反的響應(yīng)。MOSFET 柵極處的輸入邏輯低信號(hào)將導(dǎo)致 p 溝道 MOSFET 將 Vss 連接到輸出，并導(dǎo)致 n 溝道 MOSFET 將輸出與 Gnd 斷開(kāi)。MOSFET 柵極處的輸入邏輯高信號(hào)將導(dǎo)致 p 溝道 MOSFET 將其 Vss 與輸出斷開(kāi)，并導(dǎo)致 n 溝道 MOSFET 將輸出連接到 Gnd。

　　將 IC 芯片上的焊盤連接到 IC 封裝的引腳上的是微小的鍵合線。這些機(jī)械必需品具有少量電感，由上面的簡(jiǎn)化電路建模。電路中當(dāng)然也存在一定量的電阻和電容，這些電阻和電容沒(méi)有建模，也不一定需要理解以下概述。

　　全橋開(kāi)關(guān)的等效電路中顯示了三個(gè)電感器。電感符號(hào)代表封裝電感（IC封裝設(shè)計(jì)固有的電感），電路輸出連接到一些元件（不允許懸空）。

　　想象一下輸入在很長(zhǎng)一段時(shí)間后保持在邏輯低電平后遇到這個(gè)電路。這種狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致上部晶體管通過(guò)上部 MOSFET 將電路的輸出連接到 Vss。經(jīng)過(guò)適當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后，L O和L A中將存在穩(wěn)定的磁場(chǎng)，并且ΔV O、ΔV A和ΔV B的電勢(shì)差為0伏。跡線中將存儲(chǔ)少量電荷。

　　一旦輸入邏輯切換到低電平，上部 MOSFET 就會(huì)斷開(kāi) Vss 與輸出的連接，下部柵極將觸發(fā)下部 MOSFET 將電路的輸出連接到 GND。

　　這就是有趣的事情發(fā)生的地方——此時(shí)輸入邏輯發(fā)生變化，結(jié)果在整個(gè)系統(tǒng)中移動(dòng)。

　　地面彈跳的原因

　　輸出和接地之間的電位差導(dǎo)致電流從輸出通過(guò)下部 MOSFET 向下移動(dòng)到接地。電感器利用存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中的能量在 ΔV O和 ΔV B之間建立電勢(shì)差，試圖抵抗磁場(chǎng)的變化。

　　即使它們是電氣連接的，輸出和接地之間的電位差也不會(huì)立即處于 0 V。請(qǐng)記住，輸出之前處于 Vss，而 MOSFET B 的源極之前處于 0 V 電位。當(dāng)輸出線放電時(shí)，先前的電位差將導(dǎo)致電流流動(dòng)。

　　在電流開(kāi)始從輸出流向接地的同時(shí)，封裝的電感特性在 ΔV B和 ΔV O之間產(chǎn)生電勢(shì)差，以嘗試維持先前建立的磁場(chǎng)。

　　電感器 L B和 L O改變 MOSFET 源極和漏極電勢(shì)。這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)?MOSFET 柵極電壓以芯片封裝上的地為參考。當(dāng)電路在柵極觸發(fā)閾值附近振蕩時(shí)，輸入電壓可能不再足以保持柵極打開(kāi)或?qū)е缕涠啻未蜷_(kāi)。

　　當(dāng)電路再次切換時(shí)，一組類似的情況將導(dǎo)致在 ΔVA 上建立電勢(shì)，從而將 MOSFET A 的源極電壓降低到觸發(fā)閾值以下。

　　為什么地面彈跳不好？

　　當(dāng)輸入改變狀態(tài)時(shí)，輸出和 MOSFET 不再處于定義的狀態(tài)——它們介于兩者之間。結(jié)果可能是錯(cuò)誤切換或雙重切換。此外，IC 芯片上共享相同 Gnd 和 Vss 連接的任何其他部件都將受到開(kāi)關(guān)事件的影響。

　　但地彈的影響不僅限于 IC 芯片。正如 ΔVB 迫使 MOSFET 源極電勢(shì)高于 0V 一樣，它也迫使電路 Gnd 電勢(shì)低于 0V。您看到的大多數(shù)描述反彈的圖像都顯示了外部影響。

　　如果同時(shí)切換多個(gè)門，則效果會(huì)更加復(fù)雜，并可能完全破壞您的電路。

　　您可以在下面的示例中看到反彈。

　　圖 2 顯示了連接并激活 LightCrafter Cape 的 BeagleBone Black 計(jì)算機(jī)的信號(hào)線中的顯著 Gnd 和 Vss 反彈。

　　這 里，開(kāi)關(guān)期間在 3.3V 線路上產(chǎn)生約 1V 的噪聲，該噪聲在終落入背景線路噪聲之前繼續(xù)在信號(hào)線路中明顯諧振。

　　圖 2.連接并激活 LightCrafter 帽的 BeagleBone Black 信號(hào)線。

　　噪聲不僅限于正在開(kāi)關(guān)的門。開(kāi)關(guān)門連接到 IC 電源引腳，而 PCB 通常共享公共電源和接地軌。這意味著噪聲可以通過(guò)芯片上的 Vss 和接地的直接電氣連接或 PCB 上走線的耦合輕松傳遞到電路中的其他位置。

　　圖 3.該圖像是從附有 LightCrafter 斗篷的 BeagleBone Black 捕獲的。

　　在圖 3 中，通道 2（上面以青色顯示）顯示無(wú)阻尼信號(hào)線中的接地和 Vss 反彈。該問(wèn)題非常嚴(yán)重，以至于它會(huì)傳送到通道 1 上的另一條信號(hào)線（以黃色顯示）。

　　減少接地彈跳的方法：PCB 設(shè)計(jì)技巧

　　方法#1：使用去耦電容器來(lái)定位接地彈跳

　　減少地彈的解決方案是在每個(gè)電源軌和地之間安裝 SMD 去耦電容器，并盡可能靠近 IC。遠(yuǎn)處的去耦電容器具有很長(zhǎng)的走線，會(huì)增加電感，因此將它們安裝在遠(yuǎn)離 IC 的地方對(duì)自己沒(méi)有任何好處。當(dāng) IC 芯片上的晶體管切換狀態(tài)時(shí)，它們將改變芯片上晶體管和本地電源軌的電位。

　　去耦電容器為 IC 提供臨時(shí)、低阻抗、穩(wěn)定的電位，并限制反彈效應(yīng)，以防止其擴(kuò)散到電路的其余部分。通過(guò)使電容器靠近 IC，可以限度地減少 PCB 走線中的電感環(huán)路面積并減少干擾。

　　給新設(shè)計(jì)師的注意事項(xiàng)：去耦電容器并不總是顯示在原理圖上，有時(shí)也不會(huì)在數(shù)據(jù)表中提及。這并不意味著設(shè)計(jì)不需要它們。去耦電容器被認(rèn)為是成功設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，以至于作者會(huì)假設(shè)您知道需要它們，有時(shí)會(huì)從原理圖中刪除它們以減少混亂。選擇 100 nf （0.1 uF） X7R 或 NP0 陶瓷，除非數(shù)據(jù)表另有指示。

　　混合信號(hào) IC 通常具有獨(dú)立的模擬和數(shù)字電源引腳。您應(yīng)該在每個(gè)電源輸入引腳上安裝去耦電容器。 電容器應(yīng)位于 IC 和連接到 PCB 上相關(guān)電源層的多個(gè)過(guò)孔之間。

　　去耦電容器應(yīng)通過(guò)過(guò)孔連接到電源層。

　　多個(gè)過(guò)孔是，但由于電路板尺寸要求，通常是不可能的。如果可以的話，使用銅澆注或淚滴來(lái)連接過(guò)孔；如果鉆頭稍微偏離中心，額外的銅有助于將過(guò)孔連接到走線。

　　上圖所示為 IC （U1） 和四個(gè)電容器（C1、C2、C3、C4）的銅焊盤。C1和C2是用于高頻干擾的去耦電容器。根據(jù)數(shù)據(jù)表建議將 C3 和 C4 添加到電路中。由于其他平面的限制，過(guò)孔放置并不理想。

　　有時(shí)，在物理上不可能將去耦電容器放置在靠近 IC 的位置。但是，如果將其放置在遠(yuǎn)離 IC 的地方，則會(huì)產(chǎn)生電感環(huán)路，從而使地彈問(wèn)題變得更糟。幸運(yùn)的是，這個(gè)問(wèn)題有解決方案。

　　去耦電容器可以放置在 IC 下方電路板的另一側(cè)。

　　而且，在絕望的情況下，您可以使用相鄰層上的銅在板內(nèi)制造自己的電容器。這些電容器被稱為嵌入式平面電容器，由 PCB 中由非常小的介電層隔開(kāi)的平行銅澆注組成。這種類型電容器的額外好處之一是的成本是設(shè)計(jì)人員的時(shí)間。

　　方法#2：使用電阻器限制電流

　　使用串聯(lián)限流電阻來(lái)防止過(guò)量電流流入和流出 IC。

　　這不僅有助于降低功耗并防止設(shè)備過(guò)熱，而且還能限制從輸出線通過(guò) MOSFET 流向 Vss 和 Gnd 軌的電流，從而減少接地反彈。

　　方法#3：使用布線來(lái)降低電感

　　保留在相鄰走線或相鄰層上。由于存在厚芯材料，電路板上第 1 層和第 3 層之間的距離通常是第 1 層和第 2 層之間距離的幾倍。信號(hào)和返回路徑之間任何不必要的分離都會(huì)增加該信號(hào)線的電感以及隨后的地彈效應(yīng)。

　　讓我們?cè)u(píng)估一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界中的電路板示例。在下圖中，您可以看到 Arduino Uno 的 PCB 布局。

　　模擬和數(shù)字 接地 分別以白色和黃色突出顯示。

　　正如您所看到的，該板具有單獨(dú)的模擬和數(shù)字接地返回引腳，這很好。然而，電路板的布局抵消了將它們分開(kāi)的任何積極影響。IC 的數(shù)字接地引腳與接頭排上的接地引腳之間沒(méi)有清晰且直接的路徑。

　　信號(hào)將通過(guò) IC 的迂回路徑到達(dá)接頭引腳，并通過(guò)接地引腳返回迂回路徑。由于 Arduino Uno 是的電路板之一，因此這是“如何布局電路板并不重要”的示例。

　　通過(guò)編程和設(shè)計(jì)考慮來(lái)減少接地彈跳

　　隨著開(kāi)關(guān)門數(shù)量的增加，地彈干擾也會(huì)增加。如果在您的設(shè)計(jì)中可能的話，請(qǐng)以短延遲偏移開(kāi)關(guān)門。

　　例如，您的設(shè)計(jì)可能會(huì)以不同的時(shí)間間隔（1 秒、2 秒、3 秒等）閃爍各種 LED，以指示設(shè)計(jì)的狀態(tài)。當(dāng)所有三個(gè) LED 同時(shí)切換時(shí)，地彈效應(yīng)對(duì)電路的影響。

　　在此示例中，您可以通過(guò)稍微偏移 LED 來(lái)減輕地彈的影響，使它們不完全同步。在 LED 之間引入 1 毫秒的偏移對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是感覺(jué)不到的，但會(huì)將地面反彈效應(yīng)降低約 3 倍。