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【詳細講解】完美接地 VS 不完美接地

發(fā)布時間:2019-12-13 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】如何處理接地和去耦的重要布局問題?如何應(yīng)對寄生阻抗和接地電流?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(fù)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。
 
http://m.coahr.cn/art/artinfo/id/80037301
圖1. 在電路中的任何一點,電流的算術(shù)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。
 
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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
 
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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(guān)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(qū)動一個需要100 mA的負(fù)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(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的無用壓降:
 
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對于具有2 V峰峰值范圍的信號,此壓降會轉(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(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線時,產(chǎn)生的壓降約為:
 
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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(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。
 
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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(yīng)。
 
接地層在當(dāng)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(jié)構(gòu)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(shè)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(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(zhuǎn)換器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器等)并針對PCB的典型接地安排。
 
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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?;旌闲盘柶骷M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(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)了解到接地對于你們當(dāng)前和未來設(shè)計的重要性。
 
 
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