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          你的接地完   美嗎？
          
    
          
        
          
            
          日期：2025-04-28 15:09
          
            
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            摘要：
 	     首先讓我們來做個假設——出于項目要求或興趣愛好，你實際構建的工作電路也獲得了成功。你使用的可能是無焊試驗板，制成的電路看起來可能類似于圖1所示的電路。 
 

 
 	 
 

 
 	圖1. 采用無焊試驗板的電路 
 

         你利用了試驗板頂部和底部的總線，將其用于電壓和接地連接。在圖1所示電路中，兩條+5 V總線和兩條GND總線位于試驗板的頂部和底部（通過外部導線相連）。這種雙總線配置允許從試驗板的任一半邊靈活地連接電源和接地。        演示版的成功離不開如何處理接地和去耦這2個重要布局，包括如何使用電源和接地總線、...
        
          
    
          
    
          
        
          
	     首先讓我們來做個假設——出于項目要求或興趣愛好，你實際構建的工作電路也獲得了成功。你使用的可能是無焊試驗板，制成的電路看起來可能類似于圖1所示的電路。 

          

          
	 

          

          
	圖1. 采用無焊試驗板的電路 

          

                  你利用了試驗板頂部和底部的總線，將其用于電壓和接地連接。在圖1所示電路中，兩條+5 V總線和兩條GND總線位于試驗板的頂部和底部（通過外部導線相連）。這種雙總線配置允許從試驗板的任一半邊靈活地連接電源和接地。
                  演示版的成功離不開如何處理接地和去耦這2個重要布局，包括如何使用電源和接地總線、如何應對寄生阻抗和接地電流、以及接地和電源層、多層印刷電路板、高頻和低頻去耦等。
                    遺憾的是，大學里沒有專門講授PCB接地和去耦基礎知識的課程，掌握的這方面知識很可能來自實驗室經驗，或與從事硬件開發的指導教師合作得來。大多數電氣工程專業畢業生都是在工作中學習這些技能，因而只要你對電路設計過程（從原理圖到布局直至PCB*終生產）涉及的關鍵問題稍有了解，就會擁有勝人一籌的優勢。
                     我們將在本篇文章中介紹關于接地的基礎知識，后續文章再討論去耦。
          **接地vs.不**接地
                      圖2顯示信號源與負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之間產生一個差分電壓。

          

                      圖2. 在電路中的任何一點，電流的算術和為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之間產生一個誤差電壓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。但在下篇中，你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。
          

          
	 

          

          圖3. 接地阻抗中流動的信號和/或外部電流產生誤差電壓ΔV。
          

          
	          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。 

          

                      你可以看到圖1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字開關元件產生的頻率分量。
                    如果*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，并且電路驅動一個需要100 mA的負載，那么阻抗很可能會成為問題。
                   大部分情況下，由于"母線(buss wire)"在大多數邏輯轉換等效頻率下具有阻抗，將其用作數字接地回路是不能接受的。例如，#22標準導線具有約20 nH/英寸的電感和1 mΩ/英寸的電阻。由邏輯信號轉換產生的壓擺率為10 mA/ns的瞬態電流，在此頻率下流經1英寸的該導線，將形成200 mV的無用壓降：
          

          
	 

          

                   對于具有2 V峰峰值范圍的信號，此壓降會轉化為約10%的誤差（大約3.5位精度）。即使在全數字電路中，該誤差也會大幅降低邏輯噪聲裕量。
                    對于低頻信號，該1 mΩ/英寸電阻也會產生一個誤差。例如，100 mA電流流過1英寸的#22標準導線時，產生的壓降約為：
          

          
	 

          

                   一個2 V峰峰值范圍的信號數字化到16位精度時，其1 LSB = 2 V/216= 30.5 μV。因此，導線電阻引起的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字電流如何在輸入模擬電路的電壓VIN中產生誤差。將模擬電路地和數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。
          

          
	 

          

          
	圖4. 模擬電路和數字電路使用單點接地可降低高噪聲數字電路引起的誤差效應。 

          

          接地層在當今系統中必不可少
                    在無焊試驗板中，甚至在圖1所示的采用總線結構的電路板中，能夠用來降低接地阻抗的手段并不多。無焊試驗板在工業系統設計中是非常罕見的。實接地層是提供低阻抗回流路徑的工業標準方法。生產用印刷電路板一般有一層或多層專門用于接地。這種方法相當適合*終生產，但在原型系統中較難實現。
                    圖5顯示了一個包含模擬電路、數字電路以及一個混合信號器件（模數轉換器或數模轉換器等）并針對PCB的典型接地安排。
          

          
	 

          

          
	
          

          

          
	圖5. 針對混合信號系統PCB的良好接地解決方案。 

          

          
	           模擬電路和數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，系統單點或星形接地是兩個接地層的連接點。 

          

                    你應當知道，關于模擬接地和數字接地，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——分析模擬和數字電流路徑，然后采取措施以較大限度地減少它們之間的相互影響。
          

          
	
          

          
    
          
    

          
    
          

          

                        
          
                    
          
                
          
            
          
        
          
    
          
                                            
          
                                        
          
                                    
          
                                
          
                            
          
                        
          
                    
          
                
          
                
            		 	
          
		 		
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