两层 PCB 的接地，没你想象当中的简单

当我还是一个年轻而饥饿的研究生时，我的第一个 PCB 地平面设计用于收集来自多个传感器的模拟信号。在查看我测量的电压图时，噪声水平非常可怕，完全掩盖了我试图测量的信号。我很快意识到我完全搞砸了地平面连接，地环路正在破坏我的信号。

放置接地层和接地布线是两层或多层 PCB 中最重要的两个设计指南。正确执行此操作有助于降低对 EMI 的敏感性、抑制串扰并防止接地环路。这些噪声源会降低信号完整性，而适当的电路板接地平面设计技术将确保您的设备发挥最佳性能。

如果您不熟悉 PCB 设计，您的第一个 PCB 可能是两层板，因为从布局和信号完整性的角度来看，它们相对容易使用。您将拥有有限的空间，因为您不会通过内部信号层路由信号。这是在确定是否包括接地平面以及将其放置在电路板上的位置时要考虑的第一点。大多数 PCB 设计人员会发誓使用地平面，这当然是处理高速/高频信号时的最佳选择。从 EMC 的角度来看，将接地层与 PCB 的信号层分离将提供一定程度的保护，防止来自外部源的辐射 EMI。

使用 2 层 PCB 接地平面也比仅布线接地迹线更可取。当高速/高频信号通过电缆在电路板之间布线时，将返回迹线与信号迹线相邻布线是在多板设计中最小化 EMI 敏感性的一种策略。将接地回路尽可能靠近信号线放置，可使回路信号紧随迹线，从而最大限度地降低环路电感和 EMI 敏感性。

几乎每块包含多个组件的电路板都没有足够的空间在所有信号走线旁边布置返回走线。在两层 PCB 的底层放置一个地平面提供相同的效果；将接地层放置在信号走线下方还可以减少信号看到的环路面积。理想情况下，信号走线应尽可能靠近地平面，以抑制相邻走线之间的串扰，这可能需要使用更薄的电路板。

在相关组件和信号走线下方放置接地平面还允许您通过过孔将接地回路直接从组件布线到接地平面。然后，返回信号将沿着阻抗最小的路径返回到电源返回。这还允许您轻松地在关键组件的电源连接和接地层之间放置旁路/去耦电容器，从而允许电源连接中的任何高频波动（例如，来自开关电源的传导 EMI）到达相关组件。

通过正确的布线和接地技术防止 EMI

可以在两层 PCB 中使用的一种技术是网格化，而不是在整个底层放置一个连续的接地平面。电源和接地走线以差分方式布线，模拟一对电源线。可以扩展每条接地迹线以尽可能多地填充空的 PCB 空间，并且所有剩余的空空间都可以用接地填充填充。这种技术将使您的 2 层板具有与四层 PBC 叠层相同的降噪水平。

另一种解决方案是在两层上使用两个垂直的网格图案，网格可以在网格交叉的点与通孔连接。这可确保网格的所有部分保持几乎相同的电位，并为两层上的组件提供一些额外的空间。这种设计的一个潜在问题是单层网格之间的布线。在这种情况下，接地迹线可以在信号迹线旁边布线，其中接地迹线通过过孔连接到相对层上的接地部分。

与许多设计选择一样，网格化代表了一种权衡：您可以在电路板上获得更多的空间，并可以通过创造性的布线创建低电感电流环路，但会失去一些由连续接地层提供的 EMI 保护。网格化所需的过孔还充当电感阻抗不连续性，从而导致高速信号的信号完整性问题。网格还可以在组件周围形成导电回路，辐射EMI可以在该导体回路中感应电流。更好的选择是将组件放置在另一层接地网格上方的一层上。

总而言之，小心网格。某些设计指南将推荐在两层板中使用网格作为在单层上使用连续接地平面的替代方案。对于低速/低频信号或与机箱有足够屏蔽的直流板，这可能没问题。然而，在没有屏蔽的高速/高频情况下或具有显着辐射 EMI 的环境中，牺牲电路板空间并在底层选择连续地平面可能是更好的主意。

一些简单的 2 层 PCB 接地平面设计可能仍需要在同一块板上整合数字和模拟信号。最佳做法是将背面层的接地平面分成数字部分和模拟部分，但让这两个平面在靠近电源回路的地方连接。这可确保数字信号不会沿着敏感模拟组件下方的返回路径传播。

混合信号两层 PCB 的地平面可以有一个分隔不同部分的凹口，尽管在凹口上布线会为地平面中的返回信号创建一个非常大的返回路径，不建议这样做。这些走线将产生强烈辐射，并且电路将具有较大的环路电感，从而导致对辐射 EMI 的敏感性更高。完全分开接地平面并尝试使用铁氧体磁珠之类的东西使各部分具有相同的电位是一个坏主意，因为这会产生比它解决的更多的 EMI 和噪声问题。