提供穩(wěn)定的電壓參考

圖8.1舉例說明了發(fā)生在單端邏輯系統(tǒng)中的電壓參考問題。邏輯門電路A產(chǎn)生輸出電壓V1，沿線路B傳播到門電路C的輸入，門電路C必須判決輸入邏輯電平是1還是0。為了完成這個(gè)功能，門電路C使用一個(gè)差分放大器，把輸入電壓與它的內(nèi)部參考電壓R相比較。我們通常認(rèn)為門電路的輸入不包含差分放大器，但是實(shí)際上是有的。這個(gè)差分放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引出了電壓參考的問題。

內(nèi)部的參考電壓通常連接到電源輸入端的結(jié)點(diǎn)上。無論選擇哪一個(gè)電源端，都會出現(xiàn)基本相同的問題。對于這個(gè)例子，我們假設(shè)參考電壓對地是一個(gè)固定的偏置，將噪聲源N的影響包括在內(nèi)，差分放大器的輸入電壓是：

任何在門電路A和門電路C的地之間引起的一個(gè)電壓差噪聲，都會直接在差分放大器上出現(xiàn)，如同疊加在輸入信號上的電壓一樣。噪聲電壓N減小了門電路C的噪聲裕量。

是什么因素導(dǎo)致門電路的地之間的噪聲電壓呢？最常見的因素就是返回信號電流。每當(dāng)門電路A發(fā)送信號給門電路C時(shí)，流出的信號電流沿著電源分配線返回門電路A。當(dāng)返回信號電流流過地線的電感時(shí)，引起像N這樣的噪聲電壓。不僅門電路A和門電路C，任何兩個(gè)門電路之間的返回電流都會產(chǎn)生地噪聲，對門電路C的接收產(chǎn)生干擾。圖8.2舉例說明了共路噪聲產(chǎn)生的原理。這樣的噪聲電壓稱為共路噪聲電壓。

共路噪聲電壓是返回信號電流和地阻抗的乘積。為了確保低的共路噪聲，我們必須降低門電路之間的地邊接阻抗。這項(xiàng)原則成為第一條電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

電源設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1 在門電路之間采用低阻抗的地連接。

有非常低的可以避免共路噪聲問題的電感結(jié)構(gòu)呢？實(shí)用的例子是，一個(gè)完整的地平面可以為返回信號電流提供非常低的電感。

共路噪聲與第5章中描述的互感耦合有關(guān)。兩個(gè)結(jié)果都涉及返回信號電流環(huán)之間的感性耦合。共路噪聲與把噪聲歸因于一個(gè)特定電路元件或走線集總電感不同。在第5章的討論中，涉及的條件是返回電流互相鄰但彼此分開，通過重疊磁場互相影響。

單獨(dú)降低地電感解決不了共路噪聲的問題。圖8.3舉例說明了這一點(diǎn)：即使每個(gè)門電路使用一個(gè)理想的地連接，電源線中的返回信號電流所引起問題。記住，門電路在HI狀態(tài)的輸出電壓取決于它的電源端電壓。電源線中的返回信號電流所引起的電源電壓的任何改變，都直接影響了輸出電壓。任何兩個(gè)門電路電源引腳之間的阻抗應(yīng)該與引腳之間的阻抗一樣低。這是第二條電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

電源設(shè)計(jì)準(zhǔn)則2 任何兩個(gè)門電路的電源引腳之間的阻抗應(yīng)該與地引腳之間的阻抗一樣低。

注意，在圖8.3中，返回信號電流流過電源的供電電池。顯然，為了維持穩(wěn)定的傳輸信號電平，與地和電源的連接阻抗一樣，電池的阻抗必須非常低。在圖8.3中，電源和地之間的惟一路徑經(jīng)過電池。這一個(gè)實(shí)際的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由其他元件提供這條低阻抗路徑。但是，在電源和地之間必須有一些低阻抗路徑，然后才算完成了設(shè)計(jì)。這是第三條電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

電源設(shè)計(jì)準(zhǔn)則3 在電源和地之間必須有一條低阻抗路徑。

任何滿足這三條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的電源系統(tǒng)，都將會有低的共路噪聲，并且以統(tǒng)一的電壓分配電源。提供穩(wěn)定的參考電壓，低的共路噪聲，條點(diǎn)保持統(tǒng)一的電源分配電壓，這些特性是密不可分的。技術(shù)方法改進(jìn)了一個(gè)特性，同樣也會改進(jìn)其他特性。

圖8.4中的電源系統(tǒng)滿足所有這三條準(zhǔn)則。該系統(tǒng)首先通過提供一個(gè)單獨(dú)的地平面?zhèn)魉退械姆祷仉娏?，然后在每個(gè)門電路的電源和地之間增加旁路電容。電源的布線可以是任意的。讓我們用三條電源設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來檢查這個(gè)配置：

1、在門電路的地之間有一個(gè)地平面連接。

2、在電源端之間，串聯(lián)了一個(gè)電容阻抗，然后到地平面，然后是第二個(gè)電容。

3、在每個(gè)門電路中，從電源到地都有一個(gè)旁路電容。從任何電源到任何地之間的點(diǎn)進(jìn)行測量，都會得到低阻抗。

單平面方式的最大缺點(diǎn)是其旁路電容的阻抗可能不夠低?？梢詤⒖加嘘P(guān)于選擇一個(gè)好的旁路電容方面的權(quán)衡的文獻(xiàn)。

一種更好的方式（見圖8.5）是電源和地分別采用銅平面，這樣就保證了任何兩個(gè)門電路的電源端或地端之間具有理想的特性。當(dāng)平面彼此靠得非常近的時(shí)候，會共享許多耦合電容。這個(gè)電容在高頻時(shí)阻抗非常低，允許高頻電流很容易地平面之間來回流動。在低頻時(shí)，每個(gè)門電路上分散的旁路電容形成電源和地的短接。

1、在地之間，有一個(gè)地平面連接。

2、在電源端之間，有一個(gè)電源平面連接。

3、在電源和地之間，有旁路電容和電源平面與地平面之間的固有電容。

在結(jié)束本文之前，花一些時(shí)間來檢查圖8.6。差分的傳輸結(jié)構(gòu)為每條信號線提供了一條內(nèi)置的返回電流路徑。不僅如此，每個(gè)信號都傳送它自己的參考電壓！注意接收器中的差分放大器都不連接到電源端。差分輸是處理門電路之間通信的極佳方法，不需要共享很好的電源和地連接。

差分傳輸把分配電源的問題和提供穩(wěn)定參考電壓的問題分開了。