關(guān)于PCB接地和去耦的基礎(chǔ)知識(shí)

“九層之臺(tái)，起于壘土”，基礎(chǔ)知識(shí)的重要性再怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。在電路設(shè)計(jì)中也是如此，例如PCB，作為在幕后默默付出的無名英雄，往往容易被忽略，最終成為很多設(shè)計(jì)中的限制因素。這次，小編整理了關(guān)于PCB接地和去耦的相關(guān)文章，意在幫助各位工程師們查漏補(bǔ)缺，不斷完善電路設(shè)計(jì)知識(shí)哦。

JIE DI關(guān)于接地

完美接地vs.不完美接地

圖1a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1a. 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，這里忽略雜散電容的影響。但在本文“關(guān)于去耦”部分，您會(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1b. 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。

可以看到圖2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。

圖2. 采用無焊試驗(yàn)板的電路

如果最大信號(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3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3.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

在無焊試驗(yàn)板中，甚至在圖2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)適合最終生產(chǎn)，但在原型系統(tǒng)中較難實(shí)現(xiàn)。關(guān)于將接地層運(yùn)用到原型中的一些技術(shù)，請(qǐng)參見ADI官網(wǎng)上的文章《試驗(yàn)板和原型制作技術(shù)》。

圖4.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4. 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)。

您應(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。建議您下載《PCB設(shè)計(jì)秘籍》了解更多詳情，當(dāng)然，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。

QU OU關(guān)于去耦

了解基于電源抑制參數(shù)的去耦需求

放大器和轉(zhuǎn)換器等模擬集成電路具有至少兩個(gè)或兩個(gè)以上電源引腳。對(duì)于單電源器件，其中一個(gè)引腳通常連接到地。諸如ADC和DAC等混合信號(hào)器件可以具有模擬和數(shù)字電源電壓以及I/O電壓。像FPGA這樣的數(shù)字IC還可以具有多個(gè)電源電壓，例如內(nèi)核電壓、存儲(chǔ)器電壓和I/O電壓。

不管電源引腳的數(shù)量如何，IC數(shù)據(jù)手冊(cè)都詳細(xì)說明了每路電源的的允許范圍，包括推薦工作范圍和最大絕對(duì)值，而且為了保持正常工作和防止損壞，必須遵守這些限制。

然而，由于噪聲或電源紋波導(dǎo)致的電源電壓的微小變化—即便仍在推薦的工作范圍內(nèi)—也會(huì)導(dǎo)致器件性能下降。

例如在放大器中，微小的電源變化會(huì)產(chǎn)生輸入和輸出電壓的微小變化，如圖5所示。

圖5.放大器的電源抑制顯示輸出電壓對(duì)電源軌變化的靈敏度。

放大器對(duì)電源電壓變化的靈敏度通常用電源抑制比（PSRR）來量化，其定義為電源電壓變化與輸出電壓變化的比值。

圖5顯示了典型高性能放大器（OP1177）的PSR隨頻率以大約6dB/8倍頻程（20dB/10倍頻程）下降的情況。圖中顯示了采用正負(fù)電源兩種情況下的曲線圖。盡管PSRR在直流下是120dB，但較高頻率下會(huì)迅速降低，此時(shí)電源線路上有越來越多的無用能量會(huì)直接耦合至輸出。

如果放大器正在驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并且在電源軌上存在無用阻抗，則負(fù)載電流會(huì)調(diào)制電源軌，從而增加交流信號(hào)中的噪聲和失真。

盡管數(shù)據(jù)手冊(cè)中可能沒有給出實(shí)際的PSRR，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他混合信號(hào)IC的性能也會(huì)隨著電源上的噪聲而降低。電源噪聲也會(huì)以多種方式影響數(shù)字電路，包括降低邏輯電平噪聲容限，由于時(shí)鐘抖動(dòng)而產(chǎn)生時(shí)序錯(cuò)誤。

適當(dāng)?shù)木植咳ヱ钤赑CB上是必不可少的

典型的4層PCB通常設(shè)計(jì)為接地層、電源層、頂部信號(hào)層和底部信號(hào)層。表面貼裝IC的接地引腳通過引腳上的過孔直接連接到接地層，從而較大限度地減少接地連接中的無用阻抗。

電源軌通常位于電源層，并且路由到IC的各種電源引腳。顯示電源和接地連接的簡(jiǎn)單IC模型如圖6所示。

圖6. 顯示走線阻抗和局部去耦電容的IC模型。

IC內(nèi)產(chǎn)生的電流表示為IT。流過走線阻抗Z的電流產(chǎn)生電源電壓VS的變化。如上所述，根據(jù)IC的PSR，這會(huì)產(chǎn)生各種類型的性能降低。

通過使用盡可能短的連接，將適當(dāng)類型的局部去耦電容直接連接到電源引腳和接地層之間，可以較大限度地降低對(duì)功率噪聲和紋波的靈敏度。去耦電容用作瞬態(tài)電流的電荷庫(kù)，并將其直接分流到地，從而在IC上保持恒定的電源電壓。雖然回路電流路徑通過接地層，但由于接地層阻抗較低，回路電流一般不會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差電壓。

圖7顯示了高頻去耦電容必須盡可能靠近芯片的情況。否則，連接走線的電感將對(duì)去耦的有效性產(chǎn)生不利影響。

圖7. 高頻去耦電容的正確和錯(cuò)誤放置。

圖7左側(cè)，電源引腳和接地連接都可能短，所以是有效的配置。然而在圖7右側(cè)中，PCB走線內(nèi)的額外電感和電阻將造成去耦方案的有效性降低，且增加封閉環(huán)路可能造成干擾問題。

選擇正確類型的去耦電容

低頻噪聲去耦通常需要用電解電容（典型值為1μF至100μF），以此作為低頻瞬態(tài)電流的電荷庫(kù)。將低電感表面貼裝陶瓷電容（典型值為0.01μF至0.1μF）直接連接到IC電源引腳，可較大程度地抑制高頻電源噪聲。所有去耦電容必須直接連接到低電感接地層才有效。此連接需要短走線或過孔，以便將額外串聯(lián)電感降至低點(diǎn)。

大多數(shù)IC數(shù)據(jù)手冊(cè)在應(yīng)用部分說明了推薦的電源去耦電路，用戶應(yīng)始終遵循這些建議，以確保器件正常工作。

鐵氧體磁珠（以鎳、鋅、錳的氧化物或其他化合物制造的絕緣陶瓷）也可用于在電源濾波器中去耦。鐵氧體在低頻下（<100kHz）為感性—因此對(duì)低通LC去耦濾波器有用。100kHz以上，鐵氧體成阻性（低Q）。鐵氧體阻抗與材料、工作頻率范圍、直流偏置電流、匝數(shù)、尺寸、形狀和溫度成函數(shù)關(guān)系。

鐵氧體磁珠并非始終必要，但可以增強(qiáng)高頻噪聲隔離和去耦，通常較為有利。這里可能需要驗(yàn)證磁珠永遠(yuǎn)不會(huì)飽和，特別是在運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)高輸出電流時(shí)。當(dāng)鐵氧體飽和時(shí)，它就會(huì)變?yōu)榉蔷€性，失去濾波特性。

請(qǐng)注意，某些鐵氧體甚至可能在完全飽和前就是非線性。因此，如果需要功率級(jí)，以低失真輸出工作，當(dāng)原型在此飽和區(qū)域附近工作時(shí)，應(yīng)檢查其中的鐵氧體。典型鐵氧體磁珠阻抗如圖8所示。

圖8. 鐵氧體磁珠的阻抗。

在為去耦應(yīng)用選擇合適的類型時(shí)，需要仔細(xì)考慮由于寄生電阻和 電感產(chǎn)生的非理想電容性能。

實(shí)際電容及其寄生效應(yīng)

圖9所示為實(shí)際電容的模型。電阻RP代表絕緣電阻或泄漏，與標(biāo)稱電容(C)并聯(lián)。第二個(gè)電阻RS（等效串聯(lián)電阻或ESR）與電容串聯(lián)，代表電容引腳和電容板的電阻。

圖9.實(shí)際電容等效電路包括寄生元件。

電感L（等效串聯(lián)電感或ESL）代表引腳和電容板的電感。最后，電阻RDA和電容CDA一起構(gòu)成稱為電介質(zhì)吸收(DA)現(xiàn)象的簡(jiǎn)化模型。在采樣保持放大器(SHA)之類精密應(yīng)用中使用電容時(shí)，DA可造成誤差。但在去耦應(yīng)用中，電容的DA不重要，予以忽略。

圖10顯示了不同類型的100 μF電容的頻率響應(yīng)。理論上，理想電容的阻抗隨著頻率提高而單調(diào)降低。實(shí)際操作中，ESR使阻抗曲線變得平坦。隨著頻率不斷升高，阻抗由于電容的ESL而開始上升。"膝部"的位置和寬度將隨著電容結(jié)構(gòu)、電介質(zhì)和電容值而變化。因此，在去耦應(yīng)用中，常?？梢钥吹捷^大值電容與較小值電容并聯(lián)。較小值電容通常具有較低ESL，在較高頻率時(shí)仍然像一個(gè)電容。電容并聯(lián)組合覆蓋的頻率范圍比組合中任何一個(gè)電容的頻率范圍都要寬。

圖10. 各種100μF電容的阻抗

電容自諧振頻率就是電容電抗(1/ωC)等于ESL電抗(ωESL)時(shí)的頻率。對(duì)這一諧振頻率等式求解得到下式：

所有電容的阻抗曲線都與圖示的大致形狀類似。雖然實(shí)際曲線圖有所不同，但大致形狀相同。最小阻抗由ESR決定，高頻區(qū)域由ESL決定，而后者在很大程度上受封裝樣式影響。

去耦電容類型

電解電容系列具有寬值范圍、高電容體積比和廣泛的工作電壓，是極佳的高性價(jià)比低頻濾波器元件。該系列包括通用鋁電解開關(guān)類型，提供10 V以下直至約500 V的工作電壓，大小為1 μF至數(shù)千μF不等（以及成比例的外形尺寸）。

所有電解電容均有極性，因此無法耐受約1 V以上的反向偏置電壓而不造成損壞。此類元件具有相對(duì)較高的漏電流（可能為數(shù)十μA），具體漏電流在很大程度上取決于特定系列的設(shè)計(jì)、電氣尺寸、額定電壓及施加電壓。不過，漏電流不可能是基本去耦應(yīng)用的主要因素。

大多數(shù)去耦應(yīng)用不建議使用通用鋁電解電容。不過，鋁電解電容有一個(gè)子集是"開關(guān)型"，其設(shè)計(jì)并規(guī)定用于在最高達(dá)數(shù)百kHz的頻率下處理高脈沖電流，且損耗很低。此類電容在高頻濾波應(yīng)用中可直接媲美固態(tài)鉭電容，且具有更廣泛的可用值。

固態(tài)鉭電解電容一般限于50 V或更低的電壓，電容為500 μF或更低。給定大小時(shí)，鉭電容比鋁開關(guān)電解電容呈現(xiàn)出更高的電容體積比，且具有更高的頻率范圍和更低的ESR。鉭電容一般也比鋁電解電容更昂貴，對(duì)于浪涌和紋波電流，必須謹(jǐn)慎處理應(yīng)用。

使用有機(jī)或聚合物電解質(zhì)的高性能鋁電解電容也已問世。這些電容系列擁有略低于其他電解類型的ESR和更高的頻率范圍，另外低溫ESR下降也較小。此類元件使用鋁聚合物、特殊聚合物、POSCAP和OS-CON等標(biāo)簽。

陶瓷或多層陶瓷(MLCC)具有尺寸緊湊和低損耗特性，通常是數(shù)MHz以上的優(yōu)選電容材料。不過，陶瓷電介質(zhì)特性相差很大。對(duì)于電源去耦應(yīng)用，一些類型優(yōu)于其他類型。采用X7R的高K電介質(zhì)配方時(shí)，陶瓷電介質(zhì)電容的值最高可達(dá)數(shù)μF。Z5U和Y5V型的額定電壓最高可達(dá)200 V。X7R型在直流偏置電壓下的電容變化小于Z5U和Y5V型，因此是較佳選擇。

NP0（也稱為COG）型使用介電常數(shù)較低的配方，具有標(biāo)稱零TC和低電壓系數(shù)（不同于較不穩(wěn)定的高K型）。NP0型的可用值限于0.1 μF或更低，0.01 μF是更實(shí)用的上限值。

多層陶瓷(MLCC)表面貼裝電容的極低電感設(shè)計(jì)可提供近乎較優(yōu)的RF旁路，因此越來越頻繁地用于10 MHz或更高頻率下的旁路和濾波。更小的陶瓷芯片電容工作頻率范圍可達(dá)1 GHz。對(duì)于高頻應(yīng)用中的這些及其他電容，通過選擇自諧振頻率高于最高目標(biāo)頻率的電容，可確保有用值符合需要。

薄膜型電容一般使用繞線，增加了電感，因此不適合電源去耦應(yīng)用。此類型更常用于音頻應(yīng)用，此時(shí)需要極低電容和電壓系數(shù)。

最后，務(wù)必選擇擊穿電壓至少為電源電壓兩倍的電容，否則當(dāng)電路上電時(shí)，可能會(huì)發(fā)生意外。

不良去耦技術(shù)對(duì)性能的影響

圖11顯示了1.5 GHz高速電流反饋運(yùn)算放大器AD8000的脈沖響應(yīng)。兩幅示波器圖均是利用評(píng)估板獲得。左側(cè)曲線顯示正確去耦的響應(yīng)，右側(cè)曲線顯示同一電路板上去除去耦電容后的響應(yīng)。兩種情況中，輸出負(fù)載均為100 Ω。

圖11. 去耦對(duì)AD8000運(yùn)算放大器性能的影響

示波器圖說明，沒有去耦時(shí)，輸出表現(xiàn)出不良響鈴振蕩，這主要是因?yàn)殡娫措妷弘S負(fù)載電流變化而偏移。

現(xiàn)在考察正確及錯(cuò)誤去耦對(duì)14位、105 MSPS/125 MSPS高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器ADC AD9445 的影響。雖然轉(zhuǎn)換器通常無PSRR規(guī)格，但正確去耦仍非常重要。圖12顯示正確設(shè)計(jì)電路的FFT輸出。這種情況下，我們使用AD9445的評(píng)估板——注意頻譜很干凈。

圖12. 正確去耦時(shí)AD9445評(píng)估板的FFT圖

AD9445的引腳排列如圖12所示。請(qǐng)注意，電源和接地引腳有多個(gè)。這是為了降低電源阻抗（并聯(lián)引腳）。

圖13. AD9445引腳排列圖

模擬電源引腳有33個(gè)。18個(gè)引腳連接到AVDD1（電壓為3.3 V ± 5%），15個(gè)引腳連接到AVDD2（電壓為5 V ± 5%）。DVDD（電壓為5 V ± 5%）引腳有4個(gè)。在本實(shí)驗(yàn)所用的評(píng)估板上，每個(gè)引腳有0.1 μF陶瓷去耦電容。此外，沿電源走線還有數(shù)個(gè)10 μF電解電容。

圖14顯示了從模擬電源去除去耦電容后的頻譜。請(qǐng)注意，高頻雜散信號(hào)增加了，還出現(xiàn)了一些交調(diào)產(chǎn)物（低頻成分）。信號(hào)SNR已顯著降低。本圖與上圖的差異是去除了去耦電容。

圖14. 從模擬電源去除去耦電容后AD9445評(píng)估板的FFT圖

圖15顯示從數(shù)字電源去除去耦電容的結(jié)果。注意雜散同樣增加了。另外應(yīng)注意雜散的頻率分布。這些雜散不僅出現(xiàn)在高頻下，而且跨越整個(gè)頻譜。本實(shí)驗(yàn)使用轉(zhuǎn)換器的LVDS版本進(jìn)行。可以想象，CMOS版本會(huì)更糟糕，因?yàn)長(zhǎng)VDS的噪聲低于飽和CMOS邏輯。

圖15. 從數(shù)字電源去除去耦電容后AD9445評(píng)估板的SNR圖

這些實(shí)驗(yàn)表明，除去大多數(shù)或所有去耦電容會(huì)導(dǎo)致性能降低，但要分析或預(yù)測(cè)除去一兩個(gè)去耦電容的影響是很困難的。當(dāng)拿不定主意時(shí)，優(yōu)質(zhì)策略是放上電容。雖然成本略有增加，但消除了性能降低的風(fēng)險(xiǎn)，這樣做通常是值得的。

6分鐘帶您了解電量計(jì)產(chǎn)品MAX17260你留“”，我送禮▽▽▽ 小編將從視頻的點(diǎn)贊粉絲中隨機(jī)抽取5位幸運(yùn)兒送出ADI幸運(yùn)小獎(jiǎng)品 查看往期內(nèi)容↓↓↓

原文標(biāo)題：聚焦PCB基礎(chǔ)知識(shí)，“接地和去耦”的問題你搞清楚了嗎？

文章出處：【微信公眾號(hào)：亞德諾半導(dǎo)體】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
審核編輯:湯梓紅