讯号路径设计讲座优化混合讯号电路的抗噪声性能

在本篇文章中，我们将讨论邻近效应，并探讨如何将有关邻近效应和集肤效应的知识应用于电路板布线和讯号路径中，以尽可能降低噪声对系统的影响。同时，我们也将讨论其它类型的噪声源以及降低这些噪声的方法，以最终实现电路中噪声的最小化。
 
邻近效应

邻近效应是指两根相互邻近的、电流流向相反的导体相互作用，使得电流集中趋向分布在彼此邻近区域的效应，如图1所示。
　
图1. 邻近效应使得流向相反的高频电流的电流总是尽可能保持最近的距离

由于集肤效应，交流电的电流主要集中在导体的表层。

当两根导体之间的距离接近，并且/或者讯号频率增高，邻近效应将会使流经两根相邻导体的电流更为接近。产生邻近效应的原因，是因为电流总是寻找阻抗最小的通路。除其它元素外，阻抗最小的通路一般指使环绕导体的磁场强度最小的通路。

直流的回流电流会充满整个导体，而交流则不然。所谓阻抗最小的通路，就是两根电流方向相对的导体所产生的磁场相互紧密结合的部分，这也是导致两根电流方向相对的导体电流互相靠近的原因。这使得回流平面的导流线被其对应下方的反向导流线吸引，使他们相互靠近，就好像回流平面是一根紧靠在流出路径下面的传导回流讯号的路径，如图2所示。

请注意，这里我们所说的是回流平面，而不是接地平面。这样说的原因是，回流讯号有时透过接地平面传导，有时则透过电源平面。无论是哪一平面，只要传导回流讯号，就称为回流平面。
　
图2. 临近效应使得两条相对传导高频电流的导线尽量彼此接近

回流平面的电流密度（IRP）随着距离流出讯号路径边缘的距离的增加而迅速下降，如方程式1所示
 
其中:
IRP表示参考平面上距承载流出讯号的路径水平距离为“D”的电流密度
i表示讯号电流
H表示承载流出讯号的路径与参考平面之间的距离
D表示与承载流出讯号的路径之间的水平距离

回流平面的电流紧密跟随在其上面（或者下面）的承载流出讯号的路径。当D/H比为5时，距承载流出讯号的路径边缘“D”处的电流密度将下降到其正下方的4%以下；当D/H比为10时，距承载流出讯号的路径边缘“D”处的电流密度将下降到其正下方的1%以下。结果，回流平面的交电电流基本被限制在承载与其对应的流出讯号的路径下方区域。这就是为什么我们在考虑PCB布线时不需要对接地平面进行分割的原因。而且，对接地平面的分割会造成严重的辐射问题，很多设计者尽管想以代价高昂的屏蔽解决这个问题，却徒劳无功。

参考平面的回流电流紧随其对应的流出电流，因此，只要使流出电流的路径之间保持足够的间距，就可避免回流平面电流之间的混合，正是这种回流平面电流的混合产生了串扰和噪声。这里所谈论的线间距离，是层间间距（图2和方程式1中的“H”）的函数。

根据电流密度公式，可以计算出相对于承载流出讯号的路径边缘任意一点（或距离“D”处）的电流密度。请注意，本公式所计算的是电流密度，而不是电流。

典型的距离“H”取决于承载流出讯号的路径和回流平面在印刷电路板上实际所处的位置︰

如果处于外层和内层之间，4层和6层电路板的典型“H”值都是75mill；
如果处于两个内层之间，4层电路板的典型“H”值是39mill，6层电路板的典型“H”值是14mill。
请向电路板供货商咨询您所用电路板各平面之间的间距。

如果路径边缘之间的间距达到承载流出讯号和回流讯号的通路之间间距的4倍，串扰将会下降到讯号幅度的6%以下。