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模擬地VS數(shù)字地?4分鐘學(xué)會(huì)接地的“魔法”

發(fā)布時(shí)間:2019-11-01 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】接地是電路設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的部分,卻也是最容易忽視的部分。許多電路設(shè)計(jì)者往往調(diào)試的時(shí)候勞心勞神、焦頭爛額,卻不知問(wèn)題往往出在“地”上。說(shuō)到這里同學(xué)們可能會(huì)問(wèn):“地究竟是如何影響到電路本身的呢?”別著急,往下看。
 
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。
 
模擬地VS數(shù)字地?4分鐘學(xué)會(huì)接地的“魔法”
 
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。
 
模擬地VS數(shù)字地?4分鐘學(xué)會(huì)接地的“魔法”
 
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
 
模擬地VS數(shù)字地?4分鐘學(xué)會(huì)接地的“魔法”
 
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)栗子
 
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:
 
模擬地VS數(shù)字地?4分鐘學(xué)會(huì)接地的“魔法”
 
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:
 
模擬地VS數(shù)字地?4分鐘學(xué)會(huì)接地的“魔法”
 
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。
 
模擬地VS數(shù)字地?4分鐘學(xué)會(huì)接地的“魔法”
 
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。
 
模擬地VS數(shù)字地?4分鐘學(xué)會(huì)接地的“魔法”
 
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(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。
 
 
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