良好接地指導(dǎo)原則

圖1顯示了ADC的接地連接這一概念。這樣的引腳接法會(huì)在一定程度上降低轉(zhuǎn)換器的數(shù)字噪聲抗擾度，降幅等于系統(tǒng)數(shù)字地和模擬地之間的共模噪聲量。但是，由于數(shù)字噪聲抗擾度經(jīng)常在數(shù)百或數(shù)千毫伏水平，因此一般不太可能有問(wèn)題。

模擬噪聲抗擾度只會(huì)因轉(zhuǎn)換器本身的外部數(shù)字電流流入模擬地而降低。這些電流應(yīng)該保持很小，通過(guò)確保轉(zhuǎn)換器輸出沒(méi)有高負(fù)載，可以最大程度地減小電流。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的好方法是在ADC輸出端使用低輸入電流緩沖器，例如CMOS緩沖器-寄存器IC。

圖1. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的模擬地(AGND)和數(shù)字地(DGND)引腳應(yīng)返回到系統(tǒng)模擬地。

如果轉(zhuǎn)換器的邏輯電源利用一個(gè)小電阻隔離，并且通過(guò)0.1 μF (100 nF)電容去耦到模擬地，則轉(zhuǎn)換器的所有快速邊沿?cái)?shù)字電流都將通過(guò)該電容流回地，而不會(huì)出現(xiàn)在外部地電路中。如果保持低阻抗模擬地，而能夠充分保證模擬性能，那么外部數(shù)字地電流所產(chǎn)生的額外噪聲基本上不會(huì)構(gòu)成問(wèn)題。

接地層

接地層的使用與上文討論的星型接地系統(tǒng)相關(guān)。為了實(shí)施接地層，雙面PCB(或多層PCB的一層)的一面由連續(xù)銅制造，而且用作地。其理論基礎(chǔ)是大量金屬具有可能最低的電阻。由于使用大型扁平導(dǎo)體，它也具有可能最低的電感。因而，它提供了最佳導(dǎo)電性能，包括最大程度地降低導(dǎo)電平面之間的雜散接地差異電壓。

請(qǐng)注意，接地層概念還可以延伸，包括 電壓層。電壓層提供類似于接地層的優(yōu)勢(shì)—極低阻抗的導(dǎo)體—但只用于一個(gè)(或多個(gè))系統(tǒng)電源電壓。因此，系統(tǒng)可能具有多個(gè)電壓層以及接地層。

雖然接地層可以解決很多地阻抗問(wèn)題，但它們并非靈丹妙藥。即使是一片連續(xù)的銅箔，也會(huì)有殘留電阻和電感;在特定情況下，這些就足以妨礙電路正常工作。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該注意不要在接地層注入很高電流，因?yàn)檫@樣可能產(chǎn)生壓降，從而干擾敏感電路。

保持低阻抗大面積接地層對(duì)目前所有模擬電路都很重要。接地層不僅用作去耦高頻電流(源于快速數(shù)字邏輯)的低阻抗返回路徑，還能將EMI/RFI輻射降至最低。由于接地層的屏蔽作用，電路受外部EMI/RFI的影響也會(huì)降低。

接地層還允許使用傳輸線路技術(shù)(微帶線或帶狀線)傳輸高速數(shù)字或模擬信號(hào)，此類技術(shù)需要可控阻抗。

由于“總線(bus wire)”在大多數(shù)邏輯轉(zhuǎn)換等效頻率下具有阻抗，將其用作“地”完全不能接受。例如，#22標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線具有約20 nH/in的電感。由邏輯信號(hào)產(chǎn)生的壓擺率為10 mA/ns的瞬態(tài)電流，流經(jīng)1英寸該導(dǎo)線時(shí)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)化為大約200 mV或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。

圖2顯示數(shù)字返回電流調(diào)制模擬返回電流的情況(頂圖)。接地返回導(dǎo)線電感和電阻由模擬和數(shù)字電路共享，這會(huì)造成相互影響，最終產(chǎn)生誤差。一個(gè)可能的解決方案是讓數(shù)字返回電流路徑直接流向GND REF，如底圖所示。這顯示了“星型”或單點(diǎn)接地系統(tǒng)的基本概念。在包含多個(gè)高頻返回路徑的系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)真正的單點(diǎn)接地。因?yàn)楦鞣祷仉娏鲗?dǎo)線的物理長(zhǎng)度將引入寄生電阻和電感，所以獲得低阻抗高頻接地就很困難。實(shí)際操作中，電流回路必須由大面積接地層組成，以便獲取高頻電流下的低阻抗。如果無(wú)低阻抗接地層，則幾乎不可能避免上述共享阻抗，特別是在高頻下。

所有集成電路接地引腳應(yīng)直接焊接到低阻抗接地層，從而將串聯(lián)電感和電阻降至最低。對(duì)于高速器件，不推薦使用傳統(tǒng)IC插槽。即使是“小尺寸”插槽，額外電感和電容也可能引入無(wú)用的共享路徑，從而破壞器件性能。如果插槽必須配合DIP封裝使用，例如在制作原型時(shí)，個(gè)別“引腳插槽”或“籠式插座”是可以接受的。以上引腳插槽提供封蓋和無(wú)封蓋兩種版本。由于使用彈簧加載金觸點(diǎn)，確保了IC引腳具有良好的電氣和機(jī)械連接。不過(guò)，反復(fù)插拔可能降低其性能。

圖2. 流入模擬返回路徑的數(shù)字電流產(chǎn)生誤差電壓。

應(yīng)使用低電感、表面貼裝陶瓷電容，將電源引腳直接去耦至接地層。如果必須使用通孔式陶瓷電容，則它們的引腳長(zhǎng)度應(yīng)該小于1 mm。陶瓷電容應(yīng)盡量靠近IC電源引腳。噪聲過(guò)濾還可能需要鐵氧體磁珠。

這樣的話，可以說(shuō)“地”越多越好嗎?接地層能解決許多地阻抗問(wèn)題，但并不能全部解決。即使是一片連續(xù)的銅箔，也會(huì)有殘留電阻和電感;在特定情況下，這些就足以妨礙電路正常工作。圖3說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題，并給出了解決方法。

圖3. 割裂接地層可以改變電流流向，從而提高精度。

由于實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)的原因，電源輸入連接器在電路板的一端，而需要靠近散熱器的電源輸出部分則在另一端。電路板具有100 mm寬的接地層，還有電流為15 A的功率放大器。如果接地層厚0.038 mm，15 A的電流流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生68 μV/mm的壓降。對(duì)于任何共用該P(yáng)CB且以地為參考的精密模擬電路，這種壓降都會(huì)引起嚴(yán)重問(wèn)題?？梢愿盍呀拥貙樱尨箅娏鞑涣魅刖茈娐穮^(qū)域，而迫使它環(huán)繞割裂位置流動(dòng)。這樣可以防止接地問(wèn)題(在這種情況下確實(shí)存在)，不過(guò)該電流流過(guò)的接地層部分中電壓梯度會(huì)提高。

在多個(gè)接地層系統(tǒng)中，請(qǐng)務(wù)必避免覆蓋接地層，特別是模擬層和數(shù)字層。該問(wèn)題將導(dǎo)致從一個(gè)層(可能是數(shù)字地)到另一個(gè)層的容性耦合。要記住，電容是由兩個(gè)導(dǎo)體(兩個(gè)接地層)組成的，中間用絕緣體(PC板材料)隔離。

具有低數(shù)字電流的混合信號(hào)IC的接地和去耦