如何處理接地和去耦的重要布局問題？

如何應對寄生阻抗和接地電流？

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面對這些問題，我們將進行一系列的詳細講解，今天主要講講接地。

圖1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1. 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。

圖2. 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。但在該系列的下一篇文章中，您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。

無焊試驗板，制成的電路看起來可能類似于圖3所示的電路

圖3. 采用無焊試驗板的電路

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。

您可以看到圖3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。

如果最大信號頻率為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。

舉個例子：

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/2 16= 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V IN 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3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。這種方法相當適合最終生產，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。混合信號器件橫跨兩個接地層，系統單點或星形接地是兩個接地層的連接點。

您應當知道，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，然后采取措施以最大限度地減少它們之間的相互影響。

希望大家已經了解到接地對于你們當前和未來設計的重要性。