接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為棘手的問(wèn)題之一：良好接地指導(dǎo)原則資料下載

作者：Hank Zumbahlen 接地?zé)o疑是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為棘手的問(wèn)題之一。盡管它的概念相對(duì)比較簡(jiǎn)單，實(shí)施起來(lái)卻很復(fù)雜，遺憾的是，它沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)明扼要可以用詳細(xì)步驟描述的方法來(lái)保證取得良好效果，但如果在某些細(xì)節(jié)上處理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致令人頭痛的問(wèn)題。 對(duì)于線性系統(tǒng)而言，"地"是信號(hào)的基準(zhǔn)點(diǎn)。遺憾的是，在單極性電源系統(tǒng)中，它還成為電源電流的回路。接地策略應(yīng)用不當(dāng)，可能?chē)?yán)重?fù)p害高精度線性系統(tǒng)的性能。 對(duì)于所有模擬設(shè)計(jì)而言，接地都是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，而在基于PCB的電路中，適當(dāng)實(shí)施接地也具有同等重要的意義。幸運(yùn)的是，某些高質(zhì)量接地原理，特別是接地層的使用，對(duì)于PCB環(huán)境是固有不變的。由于這一因素是基于PCB的模擬設(shè)計(jì)的顯著優(yōu)勢(shì)之一，我們將在本文中對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)討論。 我們必須對(duì)接地的其他一些方面進(jìn)行管理，包括控制可能導(dǎo)致性能降低的雜散接地和信號(hào)返回電壓。這些電壓可能是由于外部信號(hào)耦合、公共電流導(dǎo)致的，或者只是由于接地導(dǎo)線中的過(guò)度IR壓降導(dǎo)致的。適當(dāng)?shù)夭季€、布線的尺寸，以及差分信號(hào)處理和接地隔離技術(shù)，使得我們能夠控制此類(lèi)寄生電壓。 我們將要討論的一個(gè)重要主題是適用于模擬/數(shù)字混合信號(hào)環(huán)境的接地技術(shù)。事實(shí)上，高質(zhì)量接地這個(gè)問(wèn)題可以—也必然—影響到混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)的整個(gè)布局原則。 目前的信號(hào)處理系統(tǒng)一般需要混合信號(hào)器件，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和快速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。由于需要處理寬動(dòng)態(tài)范圍的模擬信號(hào)，因此必須使用高性能ADC和DAC。在惡劣的數(shù)字環(huán)境內(nèi)，能否保持寬動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲與采用良好的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)密切相關(guān)，包括適當(dāng)?shù)男盘?hào)布線、去耦和接地。 過(guò)去，一般認(rèn)為"高精度、低速"電路與所謂的"高速"電路有所不同。對(duì)于ADC和DAC，采樣（或更新）頻率一般用作區(qū)分速度標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)，以下兩個(gè)示例顯示，實(shí)際操作中，目前大多數(shù)信號(hào)處理IC真正實(shí)現(xiàn)了"高速"，因此必須作為此類(lèi)器件來(lái)對(duì)待，才能保持高性能。DSP、ADC和DAC均是如此。 所有適合信號(hào)處理應(yīng)用的采樣ADC（內(nèi)置采樣保持電路的ADC）均采用具有快速上升和下降時(shí)間（一般為數(shù)納秒）的高速時(shí)鐘工作，即使呑吐量看似較低也必須視為高速器件。例如，中速12位逐次逼近型(SAR) ADC可采用10 MHz內(nèi)部時(shí)鐘工作，而采樣速率僅為500 kSPS。 Σ-Δ型ADC具有高過(guò)采樣比，因此還需要高速時(shí)鐘。即使是高分辨率的所謂"低頻"工業(yè)測(cè)量ADC（例如AD77xx-系列）吞吐速率達(dá)到10 Hz至7.5 kHz，也采用5 MHz或更高時(shí)鐘頻率工作，并且提供高達(dá)24位的分辨率。 更復(fù)雜的是，混合信號(hào)IC具有模擬和數(shù)字兩種端口，因此如何使用適當(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù)就顯示更加錯(cuò)綜復(fù)雜。此外，某些混合信號(hào)IC具有相對(duì)較低的數(shù)字電流，而另一些具有高數(shù)字電流。很多情況下，這兩種類(lèi)型的IC需要不同的處理，以實(shí)現(xiàn)最佳接地。 數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)工程師傾向于從不同角度考察混合信號(hào)器件，本文旨在說(shuō)明適用于大多數(shù)混合信號(hào)器件的一般接地原則，而不必了解內(nèi)部電路的具體細(xì)節(jié)。 通過(guò)以上內(nèi)容，顯然接地問(wèn)題沒(méi)有一本快速手冊(cè)。遺憾的是，我們并不能提供可以保證接地成功的技術(shù)列表。我們只能說(shuō)忽視一些事情，可能會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題。在某一個(gè)頻率范圍內(nèi)行之有效的方法，在另一個(gè)頻率范圍內(nèi)可能行不通。另外還有一些相互沖突的要求。處理接地問(wèn)題的關(guān)鍵在于理解電流的流動(dòng)方式。 星型接地 "星型"接地的理論基礎(chǔ)是電路中總有一個(gè)點(diǎn)是所有電壓的參考點(diǎn)，稱(chēng)為"星型接地"點(diǎn)。我們可以通過(guò)一個(gè)形象的比喻更好地加以理解—多條導(dǎo)線從一個(gè)共同接地點(diǎn)呈輻射狀擴(kuò)展，類(lèi)似一顆星。星型點(diǎn)并不一定在外表上類(lèi)似一顆星—它可能是接地層上的一個(gè)點(diǎn)—但星型接地系統(tǒng)上的一個(gè)關(guān)鍵特性是：所有電壓都是相對(duì)于接地網(wǎng)上的某個(gè)特定點(diǎn)測(cè)量的，而不是相對(duì)于一個(gè)不確定的"地"（無(wú)論我們?cè)诤翁幏胖锰筋^）。 雖然在理論上非常合理，但星型接地原理卻很難在實(shí)際中實(shí)施。舉例來(lái)說(shuō)，如果系統(tǒng)采用星型接地設(shè)計(jì)，而且繪制的所有信號(hào)路徑都能使信號(hào)間的干擾最小并可盡量避免高阻抗信號(hào)或接地路徑的影響，實(shí)施問(wèn)題便隨之而來(lái)。在電路圖中加入電源時(shí)，電源就會(huì)增加不良的接地路徑，或者流入現(xiàn)有接地路徑的電源電流相當(dāng)大和/或具有高噪聲，從而破壞信號(hào)傳輸。為電路的不同部分單獨(dú)提供電源（因而具有單獨(dú)的接地回路）通?？梢员苊膺@個(gè)問(wèn)題。例如，在混合信號(hào)應(yīng)用中，通常要將模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)，同時(shí)將在星型點(diǎn)處相連的模擬地和數(shù)字地分開(kāi)。 單獨(dú)的模擬地和數(shù)字地 事實(shí)上，數(shù)字電路具有噪聲。飽和邏輯（例如TTL和CMOS）在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)短暫地從電源吸入大電流。但由于邏輯級(jí)的抗擾度可達(dá)數(shù)百毫伏以上，因而通常對(duì)電源去耦的要求不高。相反，模擬電路非常容易受噪聲影響—包括在電源軌和接地軌上—因此，為了防止數(shù)字噪聲影響模擬性能，應(yīng)該把模擬電路和數(shù)字電路分開(kāi)。這種分離涉及到接地回路和電源軌的分開(kāi)，對(duì)混合信號(hào)系統(tǒng)而言可能比較麻煩。 然而，如果高精度混合信號(hào)系統(tǒng)要充分發(fā)揮性能，則必須具有單獨(dú)的模擬地和數(shù)字地以及單獨(dú)電源，這一點(diǎn)至關(guān)重要。事實(shí)上，雖然有些模擬電路采用 5 V單電源供電運(yùn)行，但并不意味著該電路可以與微處理器、動(dòng)態(tài)RAM、電扇或其他高電流設(shè)備共用相同 5 V高噪聲電源。模擬部分必須使用此類(lèi)電源以最高性能運(yùn)行，而不只是保持運(yùn)行。這一差別必然要求我們對(duì)電源軌和接地接口給予高度注意。 請(qǐng)注意，系統(tǒng)中的模擬地和數(shù)字地必須在某個(gè)點(diǎn)相連，以便讓信號(hào)都參考相同的電位。這個(gè)星點(diǎn)（也稱(chēng)為模擬/數(shù)字公共點(diǎn)）要精心選擇，確保數(shù)字電流不會(huì)流入系統(tǒng)模擬部分的地。在電源處設(shè)置公共點(diǎn)通常比較便利。 許多ADC和DAC都有單獨(dú)的"模擬地"(AGND)和"數(shù)字地"(DGND)引腳。在設(shè)備數(shù)據(jù)手冊(cè)上，通常建議用戶(hù)在器件封裝處將這些引腳連在一起。這點(diǎn)似乎與要求在電源處連接模擬地和數(shù)字地的建議相沖突；如果系統(tǒng)具有多個(gè)轉(zhuǎn)換器，這點(diǎn)似乎與要求在單點(diǎn)處連接模擬地和數(shù)字地的建議相沖突。 其實(shí)并不存在沖突。這些引腳的"模擬地"和"數(shù)字地"標(biāo)記是指引腳所連接到的轉(zhuǎn)換器內(nèi)部部分，而不是引腳必須連接到的系統(tǒng)地。對(duì)于ADC，這兩個(gè)引腳通常應(yīng)該連在一起，然后連接到系統(tǒng)的模擬地。由于轉(zhuǎn)換器的模擬部分無(wú)法耐受數(shù)字電流經(jīng)由焊線流至芯片時(shí)產(chǎn)生的壓降，因此無(wú)法在IC封裝內(nèi)部將二者連接起來(lái)。但它們可以在外部連在一起。 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(lèi)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(lèi)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： (1) 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 敏感的模擬元件，例如放大器和基準(zhǔn)電壓源，必須參考和去耦至模擬接地層。具有低數(shù)字電流的ADC和DAC（和其他混合信號(hào)IC）一般應(yīng)視為模擬元件，同樣接地并去耦至模擬接地層。乍看之下，這一要求似乎有些矛盾，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器具有模擬和數(shù)字接口，且通常有指定為模擬接地(AGND)和數(shù)字接地(DGND)的引腳。圖4有助于解釋這一兩難問(wèn)題。 圖4. 具有低內(nèi)部數(shù)字電流的混合信號(hào)IC的正確接地。 同時(shí)具有模擬和數(shù)字電路的IC（例如ADC或DAC）內(nèi)部，接地通常保持獨(dú)立，以免將數(shù)字信號(hào)耦合至模擬電路內(nèi)。圖4顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器模型。將芯片焊盤(pán)連接到封裝引腳難免產(chǎn)生線焊電感和電阻，IC設(shè)計(jì)人員對(duì)此是無(wú)能為力的，心中清楚即可?？焖僮兓臄?shù)字電流在B點(diǎn)產(chǎn)生電壓，且必然會(huì)通過(guò)雜散電容CSTRAY耦合至模擬電路的A點(diǎn)。此外，IC封裝的每對(duì)相鄰引腳間約有0.2 pF的雜散電容，同樣無(wú)法避免！IC設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是排除此影響讓芯片正常工作。不過(guò)，為了防止進(jìn)一步耦合，AGND和DGND應(yīng)通過(guò)最短的引線在外部連在一起，并接到模擬接地層。DGND連接內(nèi)的任何額外阻抗將在B點(diǎn)產(chǎn)生更多數(shù)字噪聲；繼而使更多數(shù)字噪聲通過(guò)雜散電容耦合至模擬電路。請(qǐng)注意，將DGND連接到數(shù)字接地層會(huì)在AGND和DGND引腳兩端施加 VNOISE ，帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題！ "DGND"名稱(chēng)表示此引腳連接到IC的數(shù)字地，但并不意味著此引腳必須連接到系統(tǒng)的數(shù)字地。可以更準(zhǔn)確地將其稱(chēng)為IC的內(nèi)部"數(shù)字回路"。