日期：2024-10-19 07:49
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摘要：
首先讓我們來做個(gè)假設(shè)——出于項(xiàng)目要求或興趣愛好，你實(shí)際構(gòu)建的工作電路也獲得了成功。你使用的可能是無(wú)焊試驗(yàn)板，制成的電路看起來可能類似于圖1所示的電路。
圖1. 采用無(wú)焊試驗(yàn)板的電路
你利用了試驗(yàn)板頂部和底部的總線，將其用于電壓和接地連接。在圖1所示電路中，兩條+5 V總線和兩條GND總線位于試驗(yàn)板的頂部和底部（通過外部導(dǎo)線相連）。這種雙總線配置允許從試驗(yàn)板的任一半邊靈活地連接電源和接地。 演示版的成功離不開如何處理接地和去耦這2個(gè)重要布局，包括如何使用電源和接地總線、...
首先讓我們來做個(gè)假設(shè)——出于項(xiàng)目要求或興趣愛好，你實(shí)際構(gòu)建的工作電路也獲得了成功。你使用的可能是無(wú)焊試驗(yàn)板，制成的電路看起來可能類似于圖1所示的電路。
圖1. 采用無(wú)焊試驗(yàn)板的電路
你利用了試驗(yàn)板頂部和底部的總線，將其用于電壓和接地連接。在圖1所示電路中，兩條+5 V總線和兩條GND總線位于試驗(yàn)板的頂部和底部（通過外部導(dǎo)線相連）。這種雙總線配置允許從試驗(yàn)板的任一半邊靈活地連接電源和接地。 演示版的成功離不開如何處理接地和去耦這2個(gè)重要布局，包括如何使用電源和接地總線、如何應(yīng)對(duì)寄生阻抗和接地電流、以及接地和電源層、多層印刷電路板、高頻和低頻去耦等。 遺憾的是，大學(xué)里沒有專門講授PCB接地和去耦基礎(chǔ)知識(shí)的課程，掌握的這方面知識(shí)很可能來自實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)，或與從事硬件開發(fā)的指導(dǎo)教師合作得來。大多數(shù)電氣工程專業(yè)畢業(yè)生都是在工作中學(xué)習(xí)這些技能，因而只要你對(duì)電路設(shè)計(jì)過程（從原理圖到布局直至PCB*終生產(chǎn)）涉及的關(guān)鍵問題稍有了解，就會(huì)擁有勝人一籌的優(yōu)勢(shì)。 我們將在本篇文章中介紹關(guān)于接地的基礎(chǔ)知識(shí)，后續(xù)文章再討論去耦。 圖2顯示信號(hào)源與負(fù)載之間隔開了一段距離，接地G1和G2通過一個(gè)回路連接起來。理想情況下，G1和G2之間的接地阻抗為0，因此接地回路電流不會(huì)在G1和G2之間產(chǎn)生一個(gè)差分電壓。 圖2. 在電路中的任何一點(diǎn)，電流的算術(shù)和為0，或者說流出去的必會(huì)流回來。若G1和G2之間的阻抗為0，則G1和G2之間無(wú)差分電壓。 遺憾的是，讓回流路徑保持零阻抗是不可能的，接地回路阻抗在接地電流作用下，會(huì)在G1和G2之間產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓ΔV。G1和G2之間的連接不僅有電阻，還有電感。出于本文目的，這里忽略雜散電容的影響。但在下篇中，你會(huì)了解到電源層和接地層之間的電容是如何幫助高頻去耦的。
圖3. 接地阻抗中流動(dòng)的信號(hào)和/或外部電流產(chǎn)生誤差電壓ΔV。
G1和G2之間流動(dòng)的電流可以是信號(hào)電流或其他電路引起的外部電流。
你可以看到圖1試驗(yàn)板中的總線阻抗如何既有阻性元件又有感性元件。接地總線阻抗是否會(huì)影響電路運(yùn)行，不僅取決于電路的直流精度要求，而且取決于模擬信號(hào)頻率和電路中數(shù)字開關(guān)元件產(chǎn)生的頻率分量。 如果*大信號(hào)頻率為1 MHz，并且電路僅需要幾毫安(mA)電流，那么接地總線阻抗可能不是問題。然而，如果信號(hào)為100 MHz，并且電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)需要100 mA的負(fù)載，那么阻抗很可能會(huì)成為問題。 大部分情況下，由于"母線(buss wire)"在大多數(shù)邏輯轉(zhuǎn)換等效頻率下具有阻抗，將其用作數(shù)字接地回路是不能接受的。例如，#22標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線具有約20 nH/英寸的電感和1 mΩ/英寸的電阻。由邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的壓擺率為10 mA/ns的瞬態(tài)電流，在此頻率下流經(jīng)1英寸的該導(dǎo)線，將形成200 mV的無(wú)用壓降：
對(duì)于具有2 V峰峰值范圍的信號(hào)，此壓降會(huì)轉(zhuǎn)化為約10%的誤差（大約3.5位精度）。即使在全數(shù)字電路中，該誤差也會(huì)大幅降低邏輯噪聲裕量。 對(duì)于低頻信號(hào)，該1 mΩ/英寸電阻也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤差。例如，100 mA電流流過1英寸的#22標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線時(shí)，產(chǎn)生的壓降約為：
一個(gè)2 V峰峰值范圍的信號(hào)數(shù)字化到16位精度時(shí)，其1 LSB = 2 V/216= 30.5 μV。因此，導(dǎo)線電阻引起的100 μV誤差約等于16位精度水平的3.3 LSB誤差。 圖4顯示了模擬接地回路中流動(dòng)的高噪聲數(shù)字電流如何在輸入模擬電路的電壓VIN中產(chǎn)生誤差。將模擬電路地和數(shù)字電路地連接在同一點(diǎn)（如下方的正確電路圖所示），可以在某種程度上緩解上述問題。
圖4. 模擬電路和數(shù)字電路使用單點(diǎn)接地可降低高噪聲數(shù)字電路引起的誤差效應(yīng)。
接地層在當(dāng)今系統(tǒng)中必不可少 在無(wú)焊試驗(yàn)板中，甚至在圖1所示的采用總線結(jié)構(gòu)的電路板中，能夠用來降低接地阻抗的手段并不多。無(wú)焊試驗(yàn)板在工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是非常罕見的。實(shí)接地層是提供低阻抗回流路徑的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。生產(chǎn)用印刷電路板一般有一層或多層專門用于接地。這種方法相當(dāng)適合*終生產(chǎn)，但在原型系統(tǒng)中較難實(shí)現(xiàn)。 圖5顯示了一個(gè)包含模擬電路、數(shù)字電路以及一個(gè)混合信號(hào)器件（模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器等）并針對(duì)PCB的典型接地安排。
圖5. 針對(duì)混合信號(hào)系統(tǒng)PCB的良好接地解決方案。
模擬電路和數(shù)字電路在物理上相隔離，分別位于各自的接地層上?；旌闲盘?hào)器件橫跨兩個(gè)接地層，系統(tǒng)單點(diǎn)或星形接地是兩個(gè)接地層的連接點(diǎn)。
你應(yīng)當(dāng)知道，關(guān)于模擬接地和數(shù)字接地，還有其他已被證明有效的接地原理。然而，這些原理全都基于同樣的概念——分析模擬和數(shù)字電流路徑，然后采取措施以較大限度地減少它們之間的相互影響。
