减少信号完整性中接地反弹的PCB设计技术

2019年7月11日

一个孩子在弹跳屋里发出很大的噪音，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美妙的。另一方面，你见过很多孩子在弹跳屋玩吗?它不是很可爱，而且会很吵。孩子们互相碰撞，被抛来抛去，还受了伤。与此同时，家长们越来越沮丧和担忧，人们纷纷指责谁先落到谁身上。本来应该很有趣的事情却变成了一个巨大的烦恼。

电路板也会遇到类似的问题，即反弹太多。在这种情况下，问题是当信号电压“反弹”并在电路板上引起噪声。就像在弹跳屋里有太多的孩子一样，过度的地面弹跳会产生很多噪音，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

的高速数字设备用于电路板具有非常快的开关速度，因为信号从低状态转换到高状态，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直下降到参考地电平，而是在参考地电平之上“反弹”。

由于信号在下降到参考地电平之前反弹回来，它导致电流意外增加，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被称为同步切换噪声(SSN)的问题。这可能发生在具有大数据总线的电路中，当CPU写入内存时，所有的数据信号同时从高电平切换到低电平。

在信号完整性中控制地面反弹的PCB布局

最佳实践PCB布局技术可以帮助控制地面反弹

与PCB上的地面反弹相关的问题

由于信号电压没有返回到它们的地电平参考，信号中有额外的电流产生噪声。当大量开关同时发生时，就会产生大量的噪声。这种地面反弹噪声会对设备产生负面影响，因为它是通过创建假开关或双重开关来切换的。如果不纠正这个问题，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，设备的地面参考高度被人为地抬高。它在高状态下接收到一个信号，但它错误地将其解释为一个低信号，因为它的地面参考电平已经反弹到比输入信号更高的电平。如果同样的组件要发出一个低信号，但地面高度被错误地移高了，接收部分可能会将低信号误解为高信号。为了纠正这些问题，PCB设计人员需要结合信号和电源完整性实践在他们的布局中。

Cadence约束管理器系统的截图

通过这样的约束系统进行的最先进的设计将帮助你设计出地面反弹

减少地面反弹的PCB布局技术

为了消除设计中的接地反弹，请考虑以下最佳PCB布局实践:

使用旁路电容器为设备提供稳定的电压势，并包含反弹效应，以防止它扩散到电路的其余部分。
旁路电容器尽量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开关期间电流峰值的影响，特别是当几个输出同时开关时。
用宽和短的走线和通孔连接旁路电容垫到电源和地，以最大限度地减少电感和增加电流流量。
连接每一个接地引脚分别连接到接地平面．在菊花链中连接地引脚将增加回地路径的长度，并产生更多的电感。
使用限流电阻来调节进出设备的电流。
分散开关设备中输出的时间，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。
尽量减少IC插座的使用。
使用单独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。
- 建议在每个电源平面之间设置接地平面。这种位置提供了零引线电感和无ESR。两个平面之间的介电厚度应为~5密耳。