Teledyne LeCroy 2023-01-18

低頻返回電流：信號和電源完整性教程

低頻返回電流：信號和電源完整性教程

 

圖3.特殊配置的同軸電纜， 遮罩的正面和背面短接在一起。

 

以下內容摘自 Eric Bogatin教授在《信號完整性雜誌》2023 年電子書《分裂地面的案例》中的文章。經《信號完整性雜誌》許可轉載。

本節繼續討論等式的信號返回路徑，

Z = R + jωL

哪裡：

Z是電流環路的環路阻抗，

R是環路的串聯電阻，並且

L是路徑的環路電感。

. . .

在低頻時，當環路阻抗由R項主導時，返回層中的電流分佈不是由環路阻抗驅動的，而是由環路電阻驅動的。在信號路徑中，電流將均勻分佈，因為信號導體中的任何燈絲路徑都具有大致相同的電阻。

但是返回路徑中R最低的當前細絲將是最短的細絲。

這意味著返回電流將採用最短路徑，與信號路徑無關。

隨著頻率的增加，返回電流將重新分配，從最低R的路徑過渡到最低L的路徑。

這在一個簡單的實驗中得到了證明。

同軸電纜在遠端短路，以便由函數發生器驅動的直流電流環路從信號導體流出並通過迴路返回。

在同軸電纜的前部，承載返回電流的遮罩在同軸電纜的前部和同軸電纜的後端之間短路。

如圖 3 所示。

 

圖4.分流路徑中 測得的返回電流下降到 10 kHz 以上， 使用 Teledyne LeCroy WavePro® HD 示波器測量。

在直流時，返回電流將通過遮罩前部和後部之間的分流器，這是一條較低的電阻路徑，而不是沿著遮罩一直流到信號和返回電流短路在一起的遠端。

 

為了測量流過該路徑的電流，在該分流路徑周圍放置了一個霍爾效應電流鉗。

這測量流過該特定路徑的電流。

函數發生器用於驅動恆定60 mA幅度的正弦波電流通過同軸電纜，頻率從1 kHz掃描到10 MHz。

電流是用霍爾效應電流探頭和Teledyne LeCroy WavePro HD 12位8 GHz頻寬示波器測量的。

在低頻時，所有返回電流都流過分流路徑。

但是，隨著頻率的增加，流過分流器的電流越來越少，而更多的電流沿著同軸遮罩的較高電阻但較低的環路電感路徑流動，返回電流非常接近信號電流。

圖4顯示了遠端信號返回環路中測得的電流幅度，頻率平坦，以及分流器中測得的電流幅度，分流器以1極點回應下降，高於約10 kHz。

 

圖 5 通過分流路徑測量 的階躍電流回應，10-90 上升時間為 32 微分，使用 Teledyne LeCroy WavePro HD 示波器 測量。

這說明，在大約10 kHz以上，所有返回電流將始終流向與信號電流直接相鄰的路徑，以降低信號返回路徑的環路電感。但同樣重要的是，低於約10 kHz的返回電流將始終在電阻最低的路徑中流動。

 

流過分流路徑的電流的瞬態階躍回應將是極點頻率約為10 kHz的1極點回應。

這是一個有效的RC時間常數，約為16微時。這將導致 10-90 的上升時間約為 32 微縮。

這是通過分流路徑的電流階躍響應的測量值，如圖5所示。