接地良好，數(shù)字是模擬的

沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)認(rèn)為電源去耦電容器和接地是神奇的神秘事物，可以吸收所有不良噪聲。他們不是。本應(yīng)用筆記討論了正確的電容選擇。它解釋了電容器無(wú)法將功率總線解耦到其自諧振點(diǎn)以上的原因。為了說(shuō)明電容器在接地層上的力和特性，使用了電子的類比。電子行為被滑稽地說(shuō)明。通過(guò)開(kāi)槽平面來(lái)證明將電流引導(dǎo)到地平面中的地面星點(diǎn)。

介紹

無(wú)論多么令人驚訝，一些工程師真的認(rèn)為“地面”是一種神奇的神秘事物，它像黑洞一樣吸收了所有壞東西。我們希望是這樣。設(shè)計(jì)電路要簡(jiǎn)單得多。

幾年前，一位客戶遇到了系統(tǒng)噪音問(wèn)題。與經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬設(shè)計(jì)工程師一起查看印刷電路板，我們發(fā)現(xiàn)缺少功率去耦電容器。地面的孔比瑞士奶酪多。模擬工程師說(shuō)：“我是這么想的。數(shù)字家伙又來(lái)了。在這種情況下，數(shù)字工程師非常出色，但他只是沒(méi)有學(xué)到模擬技術(shù)。數(shù)字設(shè)計(jì)人員未能理解阻抗、傳輸線、駐波、電源去耦等模擬概念，以及為什么地分為模擬和數(shù)字區(qū)域?，F(xiàn)在我們不想“抨擊數(shù)字”，如果沒(méi)有數(shù)字，我們將錯(cuò)過(guò)很多很多很酷的產(chǎn)品。不幸的是，一些工程教育工作者過(guò)于強(qiáng)調(diào)數(shù)字技術(shù)，以至于模擬技能沒(méi)有得到很好的發(fā)展。

本應(yīng)用筆記討論了正確的電容選擇以及該決定如何影響接地良好的設(shè)計(jì)。通過(guò)開(kāi)槽平面來(lái)證明將電流引導(dǎo)到地平面中的地面星點(diǎn)。討論首先強(qiáng)調(diào)為什么這是必要的，以及數(shù)字和模擬電路如何共享對(duì)噪聲的敏感性。

為什么數(shù)字是模擬的

設(shè)計(jì)人員期望模擬信號(hào)容易受到噪聲的影響。圖1中的較低波形是信號(hào)增加噪聲的直接結(jié)果，顯然是一件壞事。然而，數(shù)字被認(rèn)為受到閾值的保護(hù)。正如我們將看到的，這種想法是錯(cuò)誤的。

圖1.輸入信號(hào)、噪聲和兩者加在一起。

圖2數(shù)字部分的閾值意味著頂部波形實(shí)際上是模擬的。這怎么可能？高于頂部閾值的區(qū)域是我們稱信號(hào)為“一”的區(qū)域，低于底部閾值的區(qū)域是我們稱為“零”的區(qū)域。我們?cè)趺捶Q呼閾值之間的被破壞區(qū)域？這是模擬的。所以頂部波形存在噪聲。因?yàn)樵胍舻陀陂撝?，?shù)字思維說(shuō)一切都很好。底部波形沒(méi)有超過(guò)閾值，所以它必須正常！

圖2.頂部波形是輸入和噪聲。底部波形添加了噪聲。

現(xiàn)在是時(shí)候看看為什么這是數(shù)字錯(cuò)誤思維了。

圖3重復(fù)了圖1和圖2的部分內(nèi)容，但增加了垂直線來(lái)說(shuō)明模擬噪聲如何改變輸出時(shí)序。顯然，不僅僅是錯(cuò)過(guò)幅度（向上和向下）閾值是必要的。仔細(xì)觀察過(guò)渡，我們發(fā)現(xiàn)負(fù)過(guò)渡“A”與其預(yù)期位置相比很早。正過(guò)渡“B”非常接近，所以我們畫了一條線。負(fù)轉(zhuǎn)換“C”是早期的，正轉(zhuǎn)換“D”是晚期的。噪聲已從幅度誤差轉(zhuǎn)換為時(shí)間抖動(dòng)位置誤差。如果在箭頭處對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，則將保留信息。但是，如果信號(hào)頻率較高，則時(shí)間誤差將以百分比表示較大。最終，采樣點(diǎn)將受到損害。

圖3.信號(hào)加噪聲以及由此產(chǎn)生的時(shí)間誤差。

這些插圖說(shuō)明了為什么我們說(shuō)數(shù)字是模擬的。也就是說(shuō)，模擬和數(shù)字都需要注意保持信號(hào)純度。在這一點(diǎn)上，我們可以考慮保護(hù)我們想要的信號(hào)的技術(shù)。

為應(yīng)用選擇電容器

一種誤解是，電容器會(huì)吸收電源線的不良噪聲，使其消失在地中。不對(duì)。另一個(gè)概念是電容器生而相等。他們不是。較差的電容器無(wú)濟(jì)于事，即使是高質(zhì)量的電容器也對(duì)頻率敏感。所有電容器都具有不可避免的串聯(lián)電阻和電感。

AVX? 和 Kemet? 是電容器公司，指定寄生元件并提供免費(fèi)的 Spice 工具。這兩個(gè)網(wǎng)站上的應(yīng)用筆記也非常有用。這些 Spice 工具使我們能夠繪制電容器的實(shí)際性能圖。例如，一個(gè)0.1μF電容在許多電路中用作去耦。阻抗與頻率有關(guān)，如表1所示。

Spice程序允許我們?cè)u(píng)估和更改幾個(gè)參數(shù)以了解電路的功能。電容器類型可以是陶瓷或電解電容器。尺寸和工作電壓也是變量。

在敏感電路中，我們可能會(huì)看到許多去耦元件。串聯(lián)電感器、電阻器和鐵氧體磁珠將與多個(gè)電容器一起形成低通濾波器。選擇電容器是為了衰減特定的頻率范圍。在一個(gè)電路上看到四個(gè)去耦電容并不罕見(jiàn)。大型電解用作大容量電流存儲(chǔ)或低頻抑制;兩個(gè)陶瓷電容器用于減少 10MHz 至 100MHz 范圍內(nèi)的干擾。最后，使用皮法拉范圍內(nèi)的小電容器來(lái)限制較高的無(wú)線電頻率。

表1顯示了為什么需要上述四個(gè)電容器。在這里，單個(gè)0.1μF陶瓷電容器不能有效地降低干擾噪聲和低于33kHz或高于15MHz的雜散元件。低于33kHz的電源線和開(kāi)關(guān)電源紋波不會(huì)充分衰減。電解值越大越好。0 到 1 兆赫茲之間的噪聲通過(guò) 15.8μF 電容器正確分流至地。觀察到，在0.1MHz時(shí)，<>.<>μF電容變?yōu)樽灾C振。這意味著與電容器串聯(lián)的不可避免的寄生電感占主導(dǎo)地位。高于該頻率，電容器看起來(lái)像電感器，這種噪聲和垃圾無(wú)法通過(guò)電容器接地。

接地層的重要性

到目前為止，我們已經(jīng)談到接地，就好像它是所有東西的低阻抗接收器，并且干擾信號(hào)是單個(gè)頻率。兩者都不是真的。請(qǐng)記住，開(kāi)關(guān)電源和數(shù)字邏輯電路的快速邊沿會(huì)產(chǎn)生必須抑制的高頻諧波。地面也有問(wèn)題;它很少接近完美。

設(shè)想沒(méi)有互補(bǔ)電源層或總線的單獨(dú)接地是不正確的。電流必須繞一個(gè)完整的圓才能完成電路。但是，在本說(shuō)明中，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將僅考慮接地層，而忽略電源層。

這聽(tīng)起來(lái)很不尋常，甚至很有趣，但像電子一樣思考確實(shí)有助于討論。電子本質(zhì)上是懶惰的。他們總是走最簡(jiǎn)單的路。水也是一個(gè)有用的類比。當(dāng)我們觀察洪水時(shí)，我們看到水在沒(méi)有受到某種限制的情況下散布在整個(gè)洪泛平原上。電流在電壓層或接地層中的行為方式相同。仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)左上角的“好人”（返回的信號(hào)電流）和右下角的“壞人”。一些電子知道它們的位置并堅(jiān)持下去。有些人感到困惑，而另一些人可以被出價(jià)最高或最有說(shuō)服力的人收買（或拉攏）。

這些電子可以自由地在地平面上移動(dòng)。當(dāng)它們向左下角的恒星點(diǎn)行進(jìn)時(shí)，這些好的和壞的電子電流可以并且確實(shí)混合在一起。（是的，我們知道電子以相反的方式流動(dòng)，但我們希望類比簡(jiǎn)單，并與水流的概念相匹配。噪聲和干擾是將一種電流污染到另一種電流中。當(dāng)嘈雜的數(shù)字電子流過(guò)模擬電路時(shí)，它們會(huì)將噪聲引入線性模擬電路，反之亦然。因此，很明顯，所有電路都會(huì)因電源和接地不良而降級(jí)。美信零件也不例外。

MAX5400/MAX5401數(shù)字電位器一側(cè)可連接電源總線或接地。電源或接地上的噪聲將直接添加到信號(hào)中。MAX6133等基準(zhǔn)電壓源具有線路調(diào)節(jié)規(guī)范，指示輸入電壓變化量將反映在輸出電壓中。MAX5532–MAX5535系列12位DAC在20kHz時(shí)具有超過(guò)1dB的電源抑制比（PSRR）。這意味著電源總線上的噪聲將降低十倍以上。盡管如此，擁有一個(gè)能夠降低電源噪聲的器件并不是當(dāng)?shù)仉娫丛O(shè)計(jì)管理不佳的借口。好的設(shè)計(jì)需要好的功率。

人們現(xiàn)在可以問(wèn)為什么安靜的模擬信號(hào)不會(huì)損害數(shù)字電路？哦，但它們確實(shí)會(huì)損壞數(shù)字信號(hào)，就像一個(gè)數(shù)字電路的噪聲會(huì)干擾其他數(shù)字電路一樣。正如我們所討論的，模擬和數(shù)字電路在這方面實(shí)際上是相同的。唯一的區(qū)別是數(shù)字中存在閾值。實(shí)際上，數(shù)字電路中的所有噪聲都是不好的。即使低于閾值，噪聲也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤和抖動(dòng)。在模擬中，每個(gè)噪聲都是不好的，因?yàn)闆](méi)有閾值可以隱藏在后面。

圖5b通過(guò)添加帶有電弧刷的有刷電機(jī)使問(wèn)題復(fù)雜化。這些火花的幅度足夠大，盡管有閾值，但仍會(huì)導(dǎo)致數(shù)字電路出錯(cuò)。

圍欄實(shí)際上是切入地平面的槽，此處顯示為圍欄下方的虛線。該插槽將接地層分成兩部分，只允許在星形接地點(diǎn)附近進(jìn)行連接?，F(xiàn)在電子被迫只留在柵欄的一側(cè)。

現(xiàn)在回到圖5b中的電弧、火花電機(jī)。

在有刷電機(jī)的情況下，電機(jī)產(chǎn)生的垃圾將盡可能靠近電機(jī)進(jìn)行抑制。這就是為什么經(jīng)常發(fā)現(xiàn)直接焊接在電機(jī)上的電容器以及設(shè)置為短路反電動(dòng)勢(shì)（EMF）的二極管的原因。電動(dòng)勢(shì)是由電機(jī)坍塌磁場(chǎng)產(chǎn)生的反向電壓尖峰。在有刷電機(jī)中，當(dāng)電刷反彈和換向（切換）電機(jī)電流時(shí)發(fā)生。

在圖6a中，數(shù)字電路和模擬電路必須相互保護(hù)，并免受電弧和火花電機(jī)的影響。兩個(gè)圍欄僅在地面星點(diǎn)附近再次連接。

結(jié)論

地面星點(diǎn)能解決所有接地問(wèn)題嗎？不，理由從來(lái)都不是完美的，每個(gè)電路板都是不同的。一個(gè)好的地星點(diǎn)是電路板設(shè)計(jì)的絕佳起點(diǎn)。然后像電子一樣體驗(yàn)和思考可以提供洞察力，幫助聚集電子。經(jīng)驗(yàn)表明，最好從系統(tǒng)規(guī)劃開(kāi)始，然后對(duì)其進(jìn)行修改以滿足本地電路要求。安靜的場(chǎng)地、紀(jì)律嚴(yán)明的信號(hào)和快樂(lè)的電路不會(huì)隨便發(fā)生。它們是設(shè)計(jì)好的。

審核編輯：郭婷