减少信号完整性中接地反弹的PCB设计技术

2019年7月11日

一个孩子在弹跳房里发出很大的声音玩得很开心

你见过小孩子在弹跳房里玩吗?看到孩子脸上的喜悦和父母眼中的满足是很美妙的。另一方面，你是否见过太多的孩子在弹跳房里玩?它不是很可爱，而且会很吵。孩子们互相碰撞，被甩来甩去，擦伤了。与此同时，家长们变得沮丧和担心，人们都在指责谁先落在谁身上。本来应该很有趣的事情变成了一个巨大的烦恼。

电路板也会因为太多的弹跳而遭受类似的问题。在这种情况下，问题是当信号电压“反弹”和引起板上的噪声。就像在弹跳房里有太多的孩子一样，过度的地面弹跳会造成大量的噪音混乱，从而导致电路板性能下降。为了避免这个问题，这里有一些PCB设计技术，可以帮助您减少信号完整性中的接地反弹。

信号完整性中的地面反弹

的高速数字设备在电路板上使用有非常快的切换速度，因为信号从低到高的状态转换，然后再返回。这些设备变得越快，它们的切换时间就越短。在这样的速度下，信号电压可能不会一路下降到参考地面电平，而是在参考地面电平之上“反弹”。

由于信号在到达参考接地电平之前就反弹回来，它会导致电流意想不到的增加，从而导致输出信号上的噪声。当大量切换同时发生时，所有的反弹都会导致一个称为同时切换噪声(SSN)的问题。这可能发生在具有大型数据总线的电路中，比如当CPU写入内存时，所有的数据信号同时从高切换到低。

在信号完整性中控制接地反弹的PCB布局

最佳实践PCB布局技术可以帮助控制地面反弹

PCB上与地面反弹有关的问题

由于信号电压没有返回到它们的地面参考电平，信号中有额外的电流，从而产生噪声。当大量的开关同时发生时，就会产生大量的噪声。这种接地反弹噪声会对设备产生负面影响，因为它会产生假开关或双开关。如果这个问题不被纠正，它可能会破坏电路甚至关闭设备。

开关问题的一个例子是，由于地面反弹，设备的地面参考电平人为地高。它接收到应该是高状态的信号，但它错误地将其解释为低信号，因为它的地面参考电平已经反弹到比传入信号更高的水平。如果同样的元件发出了低信号，但地面被错误地移到了很高的位置，接收组件可能会将预期的低信号误解为高信号。为了纠正这些问题，PCB设计者需要结合信号和电源完整性实践在他们的布局。

Cadence约束管理器系统的截图

像这样的约束系统的艺术设计将帮助你设计出地面反弹

减少地弹的PCB布局技术

为了在设计中消除潜在的接地反弹，考虑以下最佳PCB布局实践:

使用旁路电容为设备提供稳定的电压势，并包含反弹效应，以防止其扩散到电路的其余部分。
将旁路电容尽可能靠近设备的每个电源引脚。你可以把它们放置得越近越好，因为这将有助于减少切换过程中电流峰值的影响，特别是当多个输出同时切换时。
将旁路电容垫连接到电源和接地，采用宽和短的迹线和通孔，以减少电感和增加电流流量。
连接每一个接地脚分别与接地面相连．将接地引脚以菊花链连接在一起将增加返回接地路径的长度，并产生更多的电感。
使用限流电阻来调节进出设备的电流。
在一个切换设备中分散输出的时间，这样它们就不会同时切换。此外，将这些输出均匀地分布在整个设备中。
尽量避免使用IC插座。
使用独立的电源和地平面来利用平面的电容。
- 使用SMD电容器以减少引线电感。
- 建议每个电源(VCC)平面旁设置一个接地平面。这种位置提供零引线电感和无ESR。两个平面之间的介电厚度应为~5密耳。