基于PCB模擬設(shè)計的良好接地指導(dǎo)原則

接地?zé)o疑是系統(tǒng)設(shè)計中最為棘手的問題之一。盡管它的概念相對比較簡單，實施起來卻很復(fù)雜，遺憾的是，它沒有一個簡明扼要可以用詳細步驟描述的方法來保證取得良好效果，但如果在某些細節(jié)上處理不當(dāng)，可能會導(dǎo)致令人頭痛的問題。

對于線性系統(tǒng)而言，“地”是信號的基準(zhǔn)點。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)，可能嚴(yán)重損害高精度線性系統(tǒng)的性能。

對于所有模擬設(shè)計而言，接地都是一個不容忽視的問題，而在基于PCB的電路中，適當(dāng)實施接地也具有同等重要的意義。幸運的是，某些高質(zhì)量接地原理，特別是接地層的使用，對于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)計的顯著優(yōu)勢之一，我們將在本文中對其進行重點討論。

我們必須對接地的其他一些方面進行管理，包括控制可能導(dǎo)致性能降低的雜散接地和信號返回電壓。這些電壓可能是由于外部信號耦合、公共電流導(dǎo)致的，或者只是由于接地導(dǎo)線中的過度IR壓降導(dǎo)致的。適當(dāng)?shù)夭季€、布線的尺寸，以及差分信號處理和接地隔離技術(shù)，使得我們能夠控制此類寄生電壓。

我們將要討論的一個重要主題是適用于模擬/數(shù)字混合信號環(huán)境的接地技術(shù)。事實上，高質(zhì)量接地這個問題可以—也必然—影響到混合信號PCB設(shè)計的整個布局原則。

目前的信號處理系統(tǒng)一般需要混合信號器件，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和快速數(shù)字信號處理器(DSP)。由于需要處理寬動態(tài)范圍的模擬信號，因此必須使用高性能ADC和DAC。在惡劣的數(shù)字環(huán)境內(nèi)，能否保持寬動態(tài)范圍和低噪聲與采用良好的高速電路設(shè)計技術(shù)密切相關(guān)，包括適當(dāng)?shù)男盘柌季€、去耦和接地。

過去，一般認為“高精度、低速”電路與所謂的“高速”電路有所不同。對于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，以下兩個示例顯示，實際操作中，目前大多數(shù)信號處理IC真正實現(xiàn)了“高速”，因此必須作為此類器件來對待，才能保持高性能。DSP、ADC和DAC均是如此。

所有適合信號處理應(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間（一般為數(shù)納秒）的高速時鐘工作，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)部時鐘工作，而采樣速率僅為500 kSPS。

Σ-Δ型ADC具有高過采樣比，因此還需要高速時鐘。即使是高分辨率的所謂“低頻”工業(yè)測量ADC（例如AD77xx-系列）吞吐速率達到10 Hz至7.5 kHz，也采用5 MHz或更高時鐘頻率工作，并且提供高達24位的分辨率。

更復(fù)雜的是，混合信號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)就顯示更加錯綜復(fù)雜。此外，某些混合信號IC具有相對較低的數(shù)字電流，而另一些具有高數(shù)字電流。很多情況下，這兩種類型的IC需要不同的處理，以實現(xiàn)最佳接地。

數(shù)字和模擬設(shè)計工程師傾向于從不同角度考察混合信號器件，本文旨在說明適用于大多數(shù)混合信號器件的一般接地原則，而不必了解內(nèi)部電路的具體細節(jié)。

通過以上內(nèi)容，顯然接地問題沒有一本快速手冊。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。我們只能說忽視一些事情，可能會導(dǎo)致一些問題。在某一個頻率范圍內(nèi)行之有效的方法，在另一個頻率范圍內(nèi)可能行不通。另外還有一些相互沖突的要求。處理接地問題的關(guān)鍵在于理解電流的流動方式。

星型接地

“星型”接地的理論基礎(chǔ)是電路中總有一個點是所有電壓的參考點，稱為“星型接地”點。我們可以通過一個形象的比喻更好地加以理解—多條導(dǎo)線從一個共同接地點呈輻射狀擴展，類似一顆星。星型點并不一定在外表上類似一顆星—它可能是接地層上的一個點—但星型接地系統(tǒng)上的一個關(guān)鍵特性是：所有電壓都是相對于接地網(wǎng)上的某個特定點測量的，而不是相對于一個不確定的“地”（無論我們在何處放置探頭）。

雖然在理論上非常合理，但星型接地原理卻很難在實際中實施。舉例來說，如果系統(tǒng)采用星型接地設(shè)計，而且繪制的所有信號路徑都能使信號間的干擾最小并可盡量避免高阻抗信號或接地路徑的影響，實施問題便隨之而來。在電路圖中加入電源時，電源就會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，從而破壞信號傳輸。為電路的不同部分單獨提供電源（因而具有單獨的接地回路）通?？梢员苊?