硬件笔记（23）---- PCB的保护走线
保护地线
工程界常常使用受保护地线进行隔离，来抑制信号之间的相互干扰。但并不是一直有效的，有时甚至会使干扰更加严重。
保护地线示意图如下所示：
模拟信号
假设走线是50Ω阻抗控制的，线宽是6mil，介质厚度是3.6mil，介电参数是4.5。并假设两路信号是载波频率为30Mhz，带宽为2Mhz的模拟信号。下图显示了三种情况下的远端干扰情况。当线间距为6mil时，由于两条线紧密耦合，远端串扰较大。把间距增加到18mil，远端串扰明显减小。在两条走形之间加入保护地线，地线两端使用过孔连接到地，远端串扰进一步减小。
数字信号
对于低频模拟信号之间的隔离，保护地线的确很有用。当对数字信号而言就不一样了，这里分表层微带线和内层带状线讨论。
表层微带线
继续使用上面的走线叠层结构，线宽是6mil，介质厚度是3.6mil，介电参数是4.5。干扰信号是上升时间Tr=200ps的阶跃波形。考虑以下三种情况，其中耦合段长度为2000mil。
- Case1：两条走线间距为1W(一倍线宽)。
- Case2：两条走线间距为3W
- Case3：两条走线间距为3W，中间使用保护地线，并在两端打GND过孔。
上图显示了无论是远端串扰还是近端串扰，走线间距从1W增加到3W时，串扰都明显减小。在此基础上，走线间加入隔离地线，串扰情况反而加重了。
这个例子说明拉开走线间距最有效的减小串扰的方法。保护地线要想起应有的隔离作用，需要在地线上打很多过孔，过孔间距小于1/10λ，λ为信号中最高频率成分对应的波长。信号的3dB带宽可表示为：
f 3 d B = 0.35 T r f_{3dB}=\frac{0.35}{T_{r}} f3dB=Tr0.35
3dB截止频点对应的波长为
λ = v ⋅ T = v f 3 d B = v ⋅ T r 0.35 \lambda=v \cdot T =\frac{v}{f_{3dB}} = \frac{v \cdot T_{r}}{0.35} λ=v⋅T=f3dBv=0.35v⋅Tr
其中v表示信号在PCB上的传输速度，对于前面使用的层叠结构，信号的速度约为7mil/ps。如果信号的上升时间Tr=200ps，则λ=4000mil。如果GND过孔间距小于400mil，保护地线可以进一步减小串扰，下图显示了GND过孔间距为400mil、200mil、走线间距为3W且没有保护地线三种情况下串扰噪声的比较。因此，对于表层微带线，保护地线要想起到预期的作用，需要非常密集的GND过孔，信号上升时间越短，GND过孔就越密集。
内层带状线
对于内层走线，内层走线层叠如下：
介电常数为4.5，阻抗为50Ω。有以下三种情况，干扰信号是上升时间Tr=200ps的阶跃波形，入射信号幅度500mV，耦合长度为2000mil，近端串扰如下图，加入隔离地线，近端串扰进一步下降了。
对于表层走线来说，使用密集的GND过孔，对提高隔离效果是有好处的。但对于内层走线来说，使用密集的GND过孔几乎没有改善。
间距加大到5W时
当两条线间距增大到5W时，两种情况下近端串扰和远端串扰噪声波形如下图：
对于表层走线来说，走线间距很大时，中间再加入保护地线，几乎没有效果，如果处理不好反而会使串扰加重。
对内层走线来说，保护地线依然起很大作用，近端串扰信号波形如下图：
总结
保护地线对低频模拟信号的隔离通常是有效的。但是在数字信号之间的保护走线并不是那么有用，有事反而会起反作用。对于表层走线，如果保护地线的GND过孔间距很大，可能使串扰更加严重，必须使用非常密集的过孔能起到隔离的作用。对于内层走线，保护地线可以减小近端串扰。