Заземляющая плоскость в проектировании печатных плат: определение, назначение и передовой опыт

В современном дизайне печатных плат Если вы хотите, чтобы ваши схемы работали гладко, со стабильными сигналами и минимальными помехами, очень важно включить хорошо спроектированную заземляющую плоскость. Она как «фундамент» на плате, помогая сигналам получить чистый обратный путь и снизить уровень шума.

Будь то высокоскоростные цифровые схемы или радиочастотные (РЧ) продукты, надежная конструкция заземляющего слоя печатной платы может значительно повысить производительность и надежность системы.

В этой статье мы объясним, что такое заземляющая плоскость, какова ее функция, чем она отличается от плоскости питания и как создать отличную конструкцию заземляющей плоскости.

Что такое наземная плоскость?

Заземляющая плоскость относится к целому слою меди, уложенному на печатную плату, чья основная функция заключается в обеспечении стабильного и низкоомного обратного пути для тока. Мы можем понимать это как «землю» печатной платы. После того, как все сигналы переданы, все они должны вернуться через цепь. Это то, что люди часто спрашивают: «Что такое заземляющая плоскость».

Заземляющая плоскость печатной платы обычно размещается на внутреннем или верхнем слое печатной платы, что позволяет эффективно снизить электромагнитные помехи (ЭМП), избежать контуров заземления и стабилизировать напряжение по всей схеме. Это особенно важно при работе с высокоскоростными сигналами и радиочастотными (РЧ) цепями, например, в зонах заземления антенн.

Наземные самолеты: зачем они вам нужны

В дизайне печатной платы заземляющая плоскость является не только структурным слоем, но и ключевым элементом для обеспечения стабильной работы схемы. Хорошо спроектированная заземляющая плоскость может улучшить электрические характеристики печатной платы в нескольких аспектах, которые особенно отражены в следующих аспектах:

Подавление электромагнитных помех (ЭМП)

Непрерывная заземляющая плоскость помогает защитить плату от внешних источников шума и снижает электромагнитные излучения. Оптимизируя конструкцию заземляющей плоскости, можно эффективно улучшить характеристики ЭМС продукта для соответствия нормативным требованиям.

Обеспечение обратного пути с низким импедансом

При передаче высокоскоростных сигналов возврат тока должен вернуться к источнику. Земляная плоскость обеспечивает путь возврата тока с самым коротким и низким импедансом для этих сигналов, тем самым уменьшая отражение сигнала, перекрестные помехи и дрожание, а также улучшая целостность сигнала.

Стабилизация опорного напряжения

Земляная плоскость действует как общий опорный источник напряжения для всей системы. Она может уменьшить ошибки, вызванные колебаниями потенциала земли, и повысить стабильность аналоговых и цифровых схем, что особенно важно в сценариях с несколькими источниками питания или несколькими подсистемами.

Поддержка приложений с радиочастотными и высокоскоростными сигналами

В конструкции ВЧ заземляющая плоскость работает с сигнальными трассами для формирования микрополосковых или полосковых структур, которые имеют решающее значение для управления импедансом и экранирования сигнала. Особенно в области заземления антенны непрерывный и полный слой заземления является предпосылкой для обеспечения производительности ВЧ.

Упрощение маршрутизации и проектирования конструкций

Благодаря разумной компоновке заземляющей плоскости печатной платы можно повысить эффективность маршрутизации многослойных плат, упростить сопряжение сигналов и обратных путей, а также снизить сложность конструкции.

О PCBasic

Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCБазовый  - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.

Изучение типов заземляющих плоскостей печатных плат

В зависимости от различий в сложности конструкции печатной платы, частоты сигнала и требований к производительности, структура заземляющих плоскостей также будет различаться. Обычные конфигурации заземляющих плоскостей печатных плат включают следующие типы:

Однослойная заземляющая плоскость:

Однослойные заземляющие плоскости обычно применяются в печатных платах с простыми структурами или низкими частотами сигнала. Этот тип заземляющей плоскости обычно располагается на верхнем или нижнем слое печатной платы, в основном используется для обеспечения базового обратного пути и минимальной помехоустойчивости.

Хотя однослойная схема заземления относительно проста и имеет более низкую стоимость, она подвержена таким проблемам, как прерывание обратного пути и повышенные электромагнитные помехи в высокоскоростных сигналах или плотно проложенных конструкциях. Поэтому она не подходит для конструкций с высокими требованиями к целостности сигнала.

Двухслойная заземляющая плоскость

Двухслойные заземляющие плоскости обычно встречаются в двухслойных конструкциях печатных плат. Они могут быть размещены на верхней и нижней сторонах соответственно, обеспечивая более гибкую маршрутизацию сигнала и лучший контроль над высокочастотными возвратными токами.

По сравнению с однослойными заземляющими плоскостями этот тип конструкции более стабилен и может лучше экранировать шум и уменьшать перекрестные помехи сигнала. Это экономически эффективное решение между низким и высоким уровнем производительности.

Многослойная заземляющая плоскость печатной платы

Для высокоскоростных цифровых, радиочастотных или сложных многокристальных систем обычно требуются многослойные заземляющие плоскости. Эта структура распределяет заземляющую плоскость и плоскость питания по разным внутренним слоям, чтобы сформировать стабильную опорную плоскость, тем самым достигая лучшей целостности сигнала и меньшего электромагнитного излучения.

Многослойные платы также позволяют размещать высокоскоростные сигнальные дорожки между двумя слоями заземления, образуя микрополосковые или полосковые структуры, что значительно улучшает возможности управления импедансом и изоляции сигналов.

Как оптимизировать компоновку плоскости земли

Для создания эффективной и надежной конструкции заземляющего слоя важно обратить внимание на следующие моменты при разводке печатной платы:

1. Сохраняйте непрерывность заземляющей плоскости

Заземляющая плоскость должна быть максимально полной и непрерывной. Избегайте ненужных разделений, щелей или разрезов. Если заземляющая плоскость разделена, обратный путь для сигналов становится длиннее и сложнее, что может привести к нестабильному импедансу и увеличению электромагнитных помех. В высокоскоростных и радиочастотных конструкциях непрерывная заземляющая плоскость печатной платы имеет важное значение для поддержания целостности сигнала.

2. Используйте переходные отверстия для соединения слоев заземления

В многослойных конструкциях печатных плат заземляющие плоскости на разных слоях должны быть соединены с помощью большого количества заземляющих переходов. Это помогает сформировать единую сеть обратного пути с низким импедансом, уменьшает разницу напряжений между слоями и улучшает помехоустойчивость.

3. Изолируйте источники шума от чувствительных сигналов

Высокочастотные или сильноточные компоненты (такие как DC/DC-преобразователи, индукторы и кристаллы) следует размещать вдали от линий аналоговых сигналов или малошумящих цифровых схем. На плоскости заземления эти шумные области следует отделить или расположить на расстоянии от чувствительных областей, чтобы избежать помех.

4. Разместите развязывающие конденсаторы рядом с контактами питания и подключите их к земле.

Каждый чип должен иметь развязывающие конденсаторы, расположенные как можно ближе к его выводам питания. Заземляющая сторона конденсатора должна быть напрямую подключена к заземляющей плоскости. Это помогает быстро подавлять высокочастотный шум питания и предотвращает его распространение по плате.

Заземление антенны и многослойная конструкция

В радиочастотных приложениях, особенно в печатных платах, включающих беспроводную связь, BLE, Wi-Fi или сотовые антенны, целостность заземления антенны очень важна. Многослойная печатная плата может обеспечить непрерывную, сплошную и малошумящую плоскость заземления под областью антенны, что помогает достичь наилучших возможных характеристик передачи и приема сигнала.

Поэтому для изделий, требующих высокой производительности радиочастот, почти всегда необходимо использовать многослойную заземляющую пластину печатной платы.

Земляная плоскость против силовой плоскости

Плоскость питания — это специальный медный слой в печатной плате, который обеспечивает питание. В отличие от сигнальных дорожек, которые передают данные, плоскость питания используется для стабильного, быстрого и с низким импедансом распределения напряжения по всем компонентам на плате. Ее задача — гарантировать, что все части получают надежное питание без падений напряжения или помех.

Заземляющую плоскость часто путают с силовой плоскостью, но они выполняют разные функции:

Как заземляющий слой, так и слой питания должны быть прочными и тщательно спланированными, чтобы избежать помех и обеспечить стабильную работу.

Заключение

Правильно спроектированная заземляющая плоскость — это ключ к тому, сможет ли печатная плата работать стабильно и противостоять помехам. Работаете ли вы с аналоговыми схемами, цифровой логикой или беспроводными радиочастотами, если вы следуете надлежащим принципам проектирования заземляющей плоскости, вы можете добиться более чистых сигналов, меньшего шума и более стабильной работы системы.