良好接地原则

接地无疑是系统设计中最为棘手的问题之一。 尽管它的概念相对比较 简单，实施起来却很复杂， 遗憾的是，它没有一个简明扼要可以用详 细步骤描述的方法来保证取得良好效果， 但如果在某些细节上处理不 当，可能会导致令人头痛的问题。 对于线性系统而言， “地”是信号的基准点。遗憾的是，在单极性电源 系统中，它还成为电源电流的回路。接地策略应用不当，可能严重损 害高精度线性系统的性能。 对于所有模拟设计而言，接地都是一个不容忽视的问题，而在基于 PCB 的电路中，适当实施接地也具有同等重要的意义。 幸运的是， 某 些高质量接地原理，特别是接地层的使用，对于 PCB 环境是固有不 变的。由于这一因素是基于 PCB 的模拟设计的显著优势之一，我们 将在本文中对其进行重点讨论。 我们必须对接地的其他一些方面进行管理， 包括控制可能导致性能降 低的杂散接地和信号返回电压。这些电压可能是由于外部信号耦合、 公共电流导致的，或者只是由于接地导线中的过度 IR 压降导致的。 适当地布线、布线的尺寸， 以及差分信号处理和接地隔离技术，使得 我们能够控制此类寄生电压。 我们将要讨论的一个重要主题是适用于模拟 /数字混合信号环境的接 地技术。事实上，高质量接地这个问题可以 —也必然 —影响到混合信 号 PCB 设计的整个布局原则。 目前的信号处理系统一般需要混合信号器件，例如模数转换器 (ADC) 、 数模转换器 (DAC) 和快速数字信号处理器 (DSP)。由于需要处理宽动 态范围的模拟信号， 因此必须使用高性能 ADC 和 DAC 。在恶劣的数 字环境内，能否保持宽动态范围和低噪声与采用良好的高速电路设计 技术密切相关，包括适当的信号布线、去耦和接地。 过去，一般认为 “高精度、低速 ”电路与所谓的 “高速 ”电路有所不同。 对于 ADC 和 DAC，采样（或更新）频率一般用作区分速度标准。不 过，以下两个示例显示，实际操作中，目前大多数信号处理 IC 真正 实现了 “高速” ，因此必须作为此类器件来对待， 才能保持高性能。 DSP、 ADC 和 DAC 均是如此。 所有适合信号处理应用的采样 ADC（内置采样保持电路的 ADC ）均 采用具有快速上升和下降时间（一般为数纳秒）的高速时钟工作，即 使呑吐量看似较低也必须视为高速器件。例如，中速 12 位逐次逼近 型(SAR) ADC 可采用 10 MHz 内部时钟工作，而采样速率仅为 500 kSPS。 Σ-Δ型 ADC 具有高过采样比，因此还需要高速时钟。即使是高分辨 率的所谓 “低频”工业测量 ADC （例如 AD77xx-系列）吞吐速率达到 10 Hz 至 7.5 kHz，也采用 5 MHz 或更高时钟频率工作，并且提供高 达 24 位的分辨率。 更复杂的是，混合信号 IC 具有模拟和数字两种端口，因此如何使用 适当的接地技术就显示更加错综复杂。此外，某些混合信号 IC 具有 相对较低的数字电流，而另一些具有高数字电流。很多情况下，这两 种类型的 IC 需要不同的处理，以实现最佳接地。 数字和模拟设计工程师倾向于从不同角度考察混合信号器件， 本文旨 在说明适用于大多数混合信号器件的一般接地原则， 而不必了解内部 电路的具体细节。 通过以上内容，显然接地问题没有一本快速手册。遗憾的是，我们并 不能提供可以保证接地成功的技术列表。我们只能说忽视一些事情， 可能会导致一些问题。 在某一个频率范围内行之有效的方法， 在另一 个频率范围内可能行不通。 另外还有一些相互冲突的要求。 处理接地 问题的关键在于理解电流的流动方式。 星型接地 “星型”接地的理论基础是电路中总有一个点是所有电压的参考点， 称 为“星型接地 ”点。我们可以通过一个形象的比喻更好地加以理解 —多 条导线从一个共同接地点呈辐射状扩展， 类似一颗星。 星型点并不一 定在外表上类似一颗星 —它可能是接地层上的一个点 —但星型接地 系统上的一个关键特性是： 所有电压都是相对于接地网上的某个特定 点测量的，而不是相对于一个不确定的 “地”（无论我们在何处放置探 头）。 虽然在理论上非常合理， 但星型接地原理却很难在实际中实施。 举例 来说，如果系统采用星型接地设计， 而且绘制的所有信号路径都能使 信号间的干扰最小并可尽量避免高阻抗信号或接地路径的影响， 实施 问题便随之而来。 在电路图中加入电源时， 电源就会增加不良的接地 路径，或者流入现有接地路径的电源电流相当大和 /或具有高噪声， 从而破坏信号传输。 为电路的不同部分单独提供电源 （因而具有单独 的接地回路）通常可以避免这个问题。例如，在混合信号应用中，通 常要将模拟电源和数字电源分开， 同时将在星型点处相连的模拟地和 数字地分开。 单独的模拟地和数字地 事实上，数字电路具有噪声。饱和逻辑（例如 TTL 和 CMOS）在开 关过程中会短暂地从电源吸入大电流。 但由于逻辑级的抗扰度可达数 百毫伏以上，因而通常对电源去耦的要求不高。相反，模拟电路非常 容易受噪声影响 —包括在电源轨和接地轨上 —因此，为了防止数字噪 声影响模拟性能， 应该把模拟电路和数字电路分开。 这种分离涉及到 接地回路和电源轨的分开，对混合信号系统而言可能比较麻烦。