沒有經(jīng)驗的設(shè)計人員可能會認為電源去耦電容器和接地是神奇的神秘事物，可以吸收所有不良噪聲。他們不是。本應(yīng)用筆記討論了正確的電容選擇。它解釋了電容器無法將功率總線解耦到其自諧振點以上的原因。為了說明電容器在接地層上的力和特性，使用了電子的類比。電子行為被滑稽地說明。通過開槽平面來證明將電流引導(dǎo)到地平面中的地面星點。

介紹

無論多么令人驚訝，一些工程師真的認為“地面”是一種神奇的神秘事物，它像黑洞一樣吸收了所有壞東西。我們希望是這樣。設(shè)計電路要簡單得多。

幾年前，一位客戶遇到了系統(tǒng)噪音問題。與經(jīng)驗豐富的模擬設(shè)計工程師一起查看印刷電路板，我們發(fā)現(xiàn)缺少功率去耦電容器。地面的孔比瑞士奶酪多。模擬工程師說：“我是這么想的。數(shù)字家伙又來了。在這種情況下，數(shù)字工程師非常出色，但他只是沒有學到模擬技術(shù)。數(shù)字設(shè)計人員未能理解阻抗、傳輸線、駐波、電源去耦等模擬概念，以及為什么地分為模擬和數(shù)字區(qū)域。現(xiàn)在我們不想“抨擊數(shù)字”，如果沒有數(shù)字，我們將錯過很多很多很酷的產(chǎn)品。不幸的是，一些工程教育工作者過于強調(diào)數(shù)字技術(shù)，以至于模擬技能沒有得到很好的發(fā)展。

本應(yīng)用筆記討論了正確的電容選擇以及該決定如何影響接地良好的設(shè)計。通過開槽平面來證明將電流引導(dǎo)到地平面中的地面星點。討論首先強調(diào)為什么這是必要的，以及數(shù)字和模擬電路如何共享對噪聲的敏感性。

為什么數(shù)字是模擬的

設(shè)計人員期望模擬信號容易受到噪聲的影響。圖1中的較低波形是信號增加噪聲的直接結(jié)果，顯然是一件壞事。然而，數(shù)字被認為受到閾值的保護。正如我們將看到的，這種想法是錯誤的。

圖1.輸入信號、噪聲和兩者加在一起。

圖2數(shù)字部分的閾值意味著頂部波形實際上是模擬的。這怎么可能？高于頂部閾值的區(qū)域是我們稱信號為“一”的區(qū)域，低于底部閾值的區(qū)域是我們稱為“零”的區(qū)域。我們怎么稱呼閾值之間的被破壞區(qū)域？這是模擬的。所以頂部波形存在噪聲。因為噪音低于閾值，數(shù)字思維說一切都很好。底部波形沒有超過閾值，所以它必須正常！

圖2.頂部波形是輸入和噪聲。底部波形添加了噪聲。

現(xiàn)在是時候看看為什么這是數(shù)字錯誤思維了。

圖3重復(fù)了圖1和圖2的部分內(nèi)容，但增加了垂直線來說明模擬噪聲如何改變輸出時序。顯然，不僅僅是錯過幅度（向上和向下）閾值是必要的。仔細觀察過渡，我們發(fā)現(xiàn)負過渡“A”與其預(yù)期位置相比很早。正過渡“B”非常接近，所以我們畫了一條線。負轉(zhuǎn)換“C”是早期的，正轉(zhuǎn)換“D”是晚期的。噪聲已從幅度誤差轉(zhuǎn)換為時間抖動位置誤差。如果在箭頭處對信號進行采樣，則將保留信息。但是，如果信號頻率較高，則時間誤差將以百分比表示較大。最終，采樣點將受到損害。

圖3.信號加噪聲以及由此產(chǎn)生的時間誤差。

這些插圖說明了為什么我們說數(shù)字是模擬的。也就是說，模擬和數(shù)字都需要注意保持信號純度。在這一點上，我們可以考慮保護我們想要的信號的技術(shù)。

為應(yīng)用選擇電容器

一種誤解是，電容器會吸收電源線的不良噪聲，使其消失在地中。不對。另一個概念是電容器生而相等。他們不是。較差的電容器無濟于事，即使是高質(zhì)量的電容器也對頻率敏感。所有電容器都具有不可避免的串聯(lián)電阻和電感。

AVX? 和 Kemet? 是電容器公司，指定寄生元件并提供免費的 Spice 工具。這兩個網(wǎng)站上的應(yīng)用筆記也非常有用。這些 Spice 工具使我們能夠繪制電容器的實際性能圖。例如，一個0.1μF電容在許多電路中用作去耦。阻抗與頻率有關(guān)，如表1所示。

Spice程序允許我們評估和更改幾個參數(shù)以了解電路的功能。電容器類型可以是陶瓷或電解電容器。尺寸和工作電壓也是變量。

在敏感電路中，我們可能會看到許多去耦元件。串聯(lián)電感器、電阻器和鐵氧體磁珠將與多個電容器一起形成低通濾波器。選擇電容器是為了衰減特定的頻率范圍。在一個電路上看到四個去耦電容并不罕見。大型電解用作大容量電流存儲或低頻抑制;兩個陶瓷電容器用于減少 10MHz 至 100MHz 范圍內(nèi)的干擾。最后，使用皮法拉范圍內(nèi)的小電容器來限制較高的無線電頻率。

表1顯示了為什么需要上述四個電容器。在這里，單個0.1μF陶瓷電容器不能有效地降低干擾噪聲和低于33kHz或高于15MHz的雜散元件。低于33kHz的電源線和開關(guān)電源紋波不會充分衰減。電解值越大越好。0 到 1 兆赫茲之間的噪聲通過 15.8μF 電容器正確分流至地。觀察到，在0.1MHz時，<>.<>μF電容變?yōu)樽灾C振。這意味著與電容器串聯(lián)的不可避免的寄生電感占主導(dǎo)地位。高于該頻率，電容器看起來像電感器，這種噪聲和垃圾無法通過電容器接地。

接地層的重要性

到目前為止，我們已經(jīng)談到接地，就好像它是所有東西的低阻抗接收器，并且干擾信號是單個頻率。兩者都不是真的。請記住，開關(guān)電源和數(shù)字邏輯電路的快速邊沿會產(chǎn)生必須抑制的高頻諧波。地面也有問題;它很少接近完美。

設(shè)想沒有互補電源層或總線的單獨接地是不正確的。電流必須繞一個完整的圓才能完成電路。但是，在本說明中，為了簡單起見，我們將僅考慮接地層，而忽略電源層。

這聽起來很不尋常，甚至很有趣，但像電子一樣思考確實有助于討論。電子本質(zhì)上是懶惰的。他們總是走最簡單的路。水也是一個有用的類比。當我們觀察洪水時，我們看到水在沒有受到某種限制的情況下散布在整個洪泛平原上。電流在電壓層或接地層中的行為方式相同。仔細觀察會發(fā)現(xiàn)左上角的“好人”（返回的信號電流）和右下角的“壞人”。一些電子知道它們的位置并堅持下去。有些人感到困惑，而另一些人可以被出價最高或最有說服力的人收買（或拉攏）。

這些電子可以自由地在地平面上移動。當它們向左下角的恒星點行進時，這些好的和壞的電子電流可以并且確實混合在一起。（是的，我們知道電子以相反的方式流動，但我們希望類比簡單，并與水流的概念相匹配。噪聲和干擾是將一種電流污染到另一種電流中。當嘈雜的數(shù)字電子流過模擬電路時，它們會將噪聲引入線性模擬電路，反之亦然。因此，很明顯，所有電路都會因電源和接地不良而降級。美信零件也不例外。

MAX5400/MAX5401數(shù)字電位器一側(cè)可連接電源總線或接地。電源或接地上的噪聲將直接添加到信號中。MAX6133等基準電壓源具有線路調(diào)節(jié)規(guī)范，指示輸入電壓變化量將反映在輸出電壓中。MAX5532–MAX5535系列12位DAC在20kHz時具有超過1dB的電源抑制比（PSRR）。這意味著電源總線上的噪聲將降低十倍以上。盡管如此，擁有一個能夠降低電源噪聲的器件并不是當?shù)仉娫丛O(shè)計管理不佳的借口。好的設(shè)計需要好的功率。

人們現(xiàn)在可以問為什么安靜的模擬信號不會損害數(shù)字電路？哦，但它們確實會損壞數(shù)字信號，就像一個數(shù)字電路的噪聲會干擾其他數(shù)字電路一樣。正如我們所討論的，模擬和數(shù)字電路在這方面實際上是相同的。唯一的區(qū)別是數(shù)字中存在閾值。實際上，數(shù)字電路中的所有噪聲都是不好的。即使低于閾值，噪聲也會導(dǎo)致錯誤和抖動。在模擬中，每個噪聲都是不好的，因為沒有閾值可以隱藏在后面。

圖5b通過添加帶有電弧刷的有刷電機使問題復(fù)雜化。這些火花的幅度足夠大，盡管有閾值，但仍會導(dǎo)致數(shù)字電路出錯。

圍欄實際上是切入地平面的槽，此處顯示為圍欄下方的虛線。該插槽將接地層分成兩部分，只允許在星形接地點附近進行連接?，F(xiàn)在電子被迫只留在柵欄的一側(cè)。

現(xiàn)在回到圖5b中的電弧、火花電機。

在有刷電機的情況下，電機產(chǎn)生的垃圾將盡可能靠近電機進行抑制。這就是為什么經(jīng)常發(fā)現(xiàn)直接焊接在電機上的電容器以及設(shè)置為短路反電動勢（EMF）的二極管的原因。電動勢是由電機坍塌磁場產(chǎn)生的反向電壓尖峰。在有刷電機中，當電刷反彈和換向（切換）電機電流時發(fā)生。

在圖6a中，數(shù)字電路和模擬電路必須相互保護，并免受電弧和火花電機的影響。兩個圍欄僅在地面星點附近再次連接。

結(jié)論

地面星點能解決所有接地問題嗎？不，理由從來都不是完美的，每個電路板都是不同的。一個好的地星點是電路板設(shè)計的絕佳起點。然后像電子一樣體驗和思考可以提供洞察力，幫助聚集電子。經(jīng)驗表明，最好從系統(tǒng)規(guī)劃開始，然后對其進行修改以滿足本地電路要求。安靜的場地、紀律嚴明的信號和快樂的電路不會隨便發(fā)生。它們是設(shè)計好的。

審核編輯：郭婷