圖1顯示信號(hào)源與負(fù)載之間隔開(kāi)了一段距離，接地G1和G2通過(guò)一個(gè)回路連接起來(lái)。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1. 在電路中的任何一點(diǎn)，電流的算術(shù)和為0，或者說(shuō)流出去的必會(huì)流回來(lái)。若G1和G2之間的阻抗為0，則G1和G2之間無(wú)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。

 

圖2. 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(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。

 

無(wú)焊試驗(yàn)板，制成的電路看起來(lái)可能類似于圖3所示的電路

 

圖3. 采用無(wú)焊試驗(yàn)板的電路

 

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。

 

您可以看到圖3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(kāi)關(guān)元件產(chǎn)生的頻率分量。

 

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(wèn)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(wèn)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。

 

舉個(gè)例子：

 

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(wú)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(guò)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/2 16= 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4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(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(wèn)題。

 

圖4. 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(wú)焊試驗(yàn)板中，甚至在圖3所示的采用總線結(jié)構(gòu)的電路板中，能夠用來(lái)降低接地阻抗的手段并不多。無(wú)焊試驗(yàn)板在工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是非常罕見(jiàn)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)。

 

圖5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5. 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。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(duì)于你們當(dāng)前和未來(lái)設(shè)計(jì)的重要性。

 

 

推薦閱讀：