如何處理接地和去耦的重要布局問題？如何應對寄生阻抗和接地電流？

如何處理接地和去耦的重要布局問題？

如何應對寄生阻抗和接地電流？

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面對這些問題，我們將進行一系列的詳細講解，今天主要講講接地。

圖1顯示信號源與負載之間隔開了一段距離，接地G1和G2通過一個回路連接起來。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在G1和G2之間產(chǎn)生一個差分電壓。

圖1. 在電路中的任何一點，電流的算術和為0，或者說流出去的必會流回來。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，會在G1和G2之間產(chǎn)生一個誤差電壓ΔV。

圖2. 接地阻抗中流動的信號和/或外部電流產(chǎn)生誤差電壓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。但在該系列的下一篇文章中，您會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。

無焊試驗板，制成的電路看起來可能類似于圖3所示的電路

圖3. 采用無焊試驗板的電路

G1和G2之間流動的電流可以是信號電流或其他電路引起的外部電流。

您可以看到圖3試驗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影響電路運行，不僅取決于電路的直流精度要求，而且取決于模擬信號頻率和電路中數(shù)字開關元件產(chǎn)生的頻率分量。

如果最大信號頻率為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，如果信號為100 MHz，并且電路驅動一個需要100 mA的負載，那么阻抗很可能會成為問題。

大部分情況下，由于“母線(buss wire)”在大多數(shù)邏輯轉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。

舉個例子：

例如，#22標準導線具有約20 nH/英寸的電感和1 mΩ/英寸的電阻。由邏輯信號轉換產(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英寸的該導線，將形成200 mV的無用壓降：

對于具有2 V峰峰值范圍的信號，此壓降會轉化為約10%的誤差（大約3.5位精度）。即使在全數(shù)字電路中，該誤差也會大幅降低邏輯噪聲裕量。

對于低頻信號，該1 mΩ/英寸電阻也會產(chǎn)生一個誤差。例如，100 mA電流流過1英寸的#22標準導線時，產(chǎn)生的壓降約為：

一個2 V峰峰值范圍的信號數(shù)字化到16位精度時，其1 LSB = 2 V/2 16= 30.5 μV。因此，導線電阻引起的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的高噪聲數(shù)字電流如何在輸入模擬電路的電壓V IN 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（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)字電路使用單點接地可降低高噪聲數(shù)字電路引起的誤差效應。

接地層在當今系統(tǒng)中必不可少

在無焊試驗板中，甚至在圖3所示的采用總線結構的電路板中，能夠用來降低接地阻抗的手段并不多。無焊試驗板在工業(yè)系統(tǒng)設計中是非常罕見的。實接地層是提供低阻抗回流路徑的工業(yè)標準方法。生產(chǎn)用印刷電路板一般有一層或多層專門用于接地。這種方法相當適合最終生產(chǎn)，但在原型系統(tǒng)中較難實現(xiàn)。

圖5顯示了一個包含模擬電路、數(shù)字電路以及一個混合信號器件（模數(shù)轉換器或數(shù)模轉換器等）并針對PCB的典型接地安排。

圖5. 針對混合信號系統(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。混合信號器件橫跨兩個接地層，系統(tǒng)單點或星形接地是兩個接地層的連接點。

您應當知道，關于模擬接地和數(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，然后采取措施以最大限度地減少它們之間的相互影響。

希望大家已經(jīng)了解到接地對于你們當前和未來設計的重要性。