PCB设计系列学习-接地原则

目录

概要

整体架构流程

技术名词解释

技术细节

1.星型接地

2.单独的模拟地和数字地

3.接地层

4.混合接地的困惑

5.针对高频的接地

总结：

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概要

提示：这里可以添加技术概要

      接地无疑是系统设计中最为棘手的问题之一。尽管它的概念相对比较简单，实施起来却很复杂，遗憾的是，它没有一个简明扼要可以用详细步骤描述的方法来保证取得良好效果，但如果在某些细节上处理不当，可能会导致令人头痛的问题。

        对于线性系统而言，“地”是信号的基准点。遗憾的是，在单极性电源系统中，它还成为电源电流的回路。接地策略应用不当，可能严重损害高精度线性系统的性能。对于所有模拟设计而言，接地都是一个不容忽视的问题，而在基于PCB的电路中，适当实施接地也具有同等重要的意义。幸运的是，某些高质量接地原理，特别是接地层的使用，对于PCB环境是固有不变的。由于这一因素是基于PCB的模拟设计的显著优势之一，我们将在本文中对其进行重点讨论。

             我们必须对接地的其他一些方面进行管理，包括控制可能导致性能降低的杂散接地和信号返回电压。这些电压可能是由于外部信号耦合．公共电流导致的，或者只是由于接地导线中的过度IR压降导致的。适当地布线、布线的尺寸，以及差分信号处理和接地隔离技术，使得我们能够控制此类寄生电压。

整体架构流程

主要就是介绍各个接地的分析过程

技术名词解释

接地：接地（earthing）接地指电力系统和电气装置的中性点、电气设备的外露导电部分和装置外导电部分经由导体与大地相连。可以分为工作接地、防雷接地和保护接地。

技术细节

1.星型接地

        “星型”接地的理论基础是电路中总有一个点是所有电压的参考点，称为“星型接地”点。我们可以通过一个形象的比喻更好地加以理解，多条导线从一个共同接地点呈辐射状扩展，类似一颗星。星型点并不一定在外表上类似一颗星，它可能是接地层上的一个点，但星型接地系统上的一个关键特性是:所有电压都是相对于接地网上的某个特定点测量的.而不是相对于一个不确定的“地”(无论我们在何处放置探头）。

       虽然在理论上非常合理，但星型接地原理却很难在实际中实施。举例来说,如果系统采用星型接地设计，而且绘制的所有信号路径都能使信号间的干扰最小并可尽量避免高阻抗信号或接地路径的影响，实施问题便随之而来。在电路图中加入电源时，电源就会增加不良的接地路径，或者流入现有接地路径的电源电流相当大和/或具有高噪声，从而破坏信号传输。为电路的不同部分单独提供电源〈因而具有单独的接地回路〉通常可以避免这个问题。例如，在混合信号应用中，通常要将模拟电源和数字电源分开．同时将在星型点处相连的模拟地和数字地分开。

2.单独的模拟地和数字地

       事实上，数字电路具有噪声。饱和逻辑（例如TTL和CMOS）在开关过程中会短暂地从电源吸入大电流。但由于逻辑级的抗扰度可达数百毫伏以上，因而通常对电源去耦的要求不高。相反，模拟电路非常容易受噪声影响，包括在电源轨和接地轨上，因此，为了防止数字噪声影响模拟性能，应该把模拟电路和数字电路分开。这种分离涉及到接地回路和电源轨的分开，对混合信号系统而言可能比较麻烦。
       然而，如果高精度混合信号系统要充分发挥性能，则必须具有单独的模拟地和数字地以及单独电源，这一点至关重要。事实上，虽然有些模拟电路采用+5V单电源供电运行，但并不意味着该电路可以与微处理器、动态 RAM、电扇或其他高电流设备共用相同+5V高噪声电源。模拟部分必须使用此类电源以最高性能运行．而不只是保持运行。这一差别必然要求我们对电源轨和接地接口给予高度注意。
        请注意，系统中的模拟地和数字地必须在某个点相连，以便让信号都参考相同的电位。这个星点〈也称为模拟/数字公共点）要精心选择，确保数字电流不会流入系统模拟部分的地。在电源处设置公共点通常比较便利。

    3.接地层

         接地层的使用与上文讨论的星型接地系统相关。为了实施接地层，双面 PCB(或多层PCB的一层)的一面由连续铜制造，而且用作地。其理论基础是大量金属具有可能最低的电阻。由于使用大型扁平导体，它也具有可能最低的电感。因而，它提供了最佳导电性能，包括最大程度地降低导电平面之间的杂散接地差异电压。
             请注意，接地层概念还可以延伸，包括电压层。电压层提供类似于接地层的优势，极低阻抗的导体，但只用于一个(或多个〉系统电源电压。因此，系统可能具有多个电压层以及接地层。
虽然接地层可以解决很多地阻抗问题，但它们并非灵丹妙药。即使是一片连续的铜箔.也会有残留电阻和电感;在特定情况下，这些就足以妨碍电路正常工作。设计人员应该注意不要在接地层注入很高电流．因为这样可能产生压降，从而干扰敏感电路。

4.混合接地的困惑

       大多数ADC,DAC 和其他混合信号器件数据手册是针对单个 PCB讨论接地．通常是制造商自己的评估板。将这些原理应用于多卡或多ADC/DAC系统时,就会让人感觉困惑茫然。通常建议将PCB 接地层分为模拟层和数字层．并将转换器的 AGND 和DGND引脚连接在一起，并且在同一点连接模拟接地层和数字接地层．如图所示。这样就基本在混合信号器件上产生了系统“星型”接地。所有高噪声数字电流通过数字电源流入数字接地层．再返回数字电源;与电路板敏感的模拟部分隔离开。系统星型接地结构出现在混合信号器件中模拟和数字接地层连接在一起的位置。
该方法一般用于具有单个PCB和单个ADC/DAC的简单系统．不适合多卡混合信号系统。在不同PCB(甚至在相同PCB上)上具有数个ADC或DAC的系统中．模拟和数字接地层在多个点连接．使得建立接地环路成为可能．而单点“星型”接地系统则不可能。鉴于以上原因，此接地方法不适用于多卡系统.上述方法应当用于具有低数字电流的混合信号IC。

5.针对高频的接地

一般提倡电源和信号电流最好通过“接地层”返回．而且该层还可为转换器．基准电压源和其它子电路提供参考节点。但是，即便广泛使用接地层也不能保证交流电路具有高质量接地参考。
    电感与电流环路的面积成比例，二者之间的关系可以用图11所示的右手法则和磁场来说明。环路之内，沿着环路所有部分流动的电流所产生的磁场相互增强。环路之外，不同部分所产生的磁场相互削弱。因此．磁场原则上被限制在环路以内。环路越大则电感越大．这意味着:对于给定的电流水平，它储存的磁能(Li2)更多．阻抗更高(XL= joL)，因而将在给定频率产生更大电压。
图9所示的简单电路采用两层印刷电路板制造．顶层上有一个交直流电流源．其一端连到过孔1，另一端通过一条U形铜走线连到过孔2。两个过孔均穿过电路板并连

总结：

          没有任何一种接地方法能始终保证最佳性能。本文根据所考虑的特定混合信号器件特性提出了几种可能的选项。在实施初始PC板布局时．提供尽可能多的选项会很有帮助。
         PC板必须至少有一层专用于接地层!初始电路板布局应提供非重叠的模拟和数字接地层．如果需要．应在数个位置提供焊盘和过孔．以便安装背对背肖特基二极管或铁氧体磁珠。此外．需要时可以使用跳线将模拟和数字接地层连接在一起。

       一般而言，混合信号器件的 AGND引脚应始终连接到模拟接地层。具有内部锁相环(PLL)的 DSP是一个例外．例如ADSP-21160 SHARC处理器。PLL的接地引脚是标记的AGND，但直接连接到DSP的数字接地层。