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高速電路的接地規(guī)則 |
| 作者：yangtuna 欄目：技術(shù)交流 |
電子技術(shù)，對于從低精度低速設(shè)計轉(zhuǎn)到高精度高速設(shè)計，或從數(shù)字電路轉(zhuǎn)到模擬信號調(diào)理電路的設(shè)計者來說是比較撓頭的。因為接地原則被改變了。 有經(jīng)驗的設(shè)計者可以容易地察覺形成連續(xù)地的難度。他們可以舉出以前與想象某處該有地但是地卻在別處，或者盡管曾對“地的存在”信心十足,但是想象中的地根本就不存在的例子。在PCB上，導(dǎo)線和/或印刷線(runs)看上去好像是完好的地，可是在高速或高頻電路里卻成為電感或捉摸不定的東西。“接地”是大部分最初接觸高速電路設(shè)計者們最集中的問題。多數(shù)情況下，設(shè)計者們遇到的麻煩多是由於沒意識到，或忽略了一些基本的接地規(guī)則而造成的。 知識豐富的高速電路設(shè)計者們知道每平方英寸無電路或印刷走線的PCB應(yīng)該是平面地。違反這一簡單原則會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。但是當(dāng)電路密度太大時,即使嚴(yán)格遵守接地原則也不能保證一定成功。這時,設(shè)計者必須降低電路密度和增加“實地”。我建議將所有設(shè)計好的實驗板做在雙面覆銅板上。雖然這樣做不一定能解決所有的接地問題,但它為設(shè)計者解決這類問題增加了可能性。 另一個高速和/或高頻PCB設(shè)計的基本規(guī)則是:在PCB內(nèi)部聯(lián)接模擬地和數(shù)字地。當(dāng)一些轉(zhuǎn)換器單獨工作或者作為密集的子系統(tǒng)部件工作時,用這種方法接地可以提高它們的性能。但是這樣做會引起系統(tǒng)方面的問題。設(shè)計有模擬和數(shù)字電路PCB的另一個原則是:將每個可以利用的空閑管腳作為地線來隔開進(jìn)出電路板的模擬和數(shù)字信號。 避免使用純絕緣實驗板(如VECTOR牌),也避免使用細(xì)線(如24號線)作包括電源線和地線在內(nèi)的飛線聯(lián)接。這些接法將使工作在1MHZ或1MHZ以上頻率的電路產(chǎn)生接地和噪聲問題。作個歸納：用雙面覆銅板并使地面積最大，用粗線作為選位合適的電源線及其返回地線的接線。將局部地線連接在一起。 任何子系統(tǒng)或者電路布線,當(dāng)高速工作在模擬,數(shù)字信號同時存在的場合時,需要將這兩種信號盡量拉開距離,以防可能引起的串?dāng)_.數(shù)字信號離開或者進(jìn)入這些布線時,應(yīng)該使走線最短.數(shù)字走線越短,耦合給模擬信號的機(jī)會就越低.模擬信號的布線在空間允許的情況下要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字信號.理想的作法是永遠(yuǎn)不讓兩種信號近距離平行走線.如果必須交叉,它們須為90度交叉,以使干擾最小.可能出于機(jī)械方面的考慮,一些模擬信號的輸入輸出使用同軸電纜,但是使用同軸電纜在某些情況下又是保證電性能的唯一手段.當(dāng)在同一塊板上聯(lián)接采樣-保持和A/D轉(zhuǎn)換器混合電路或者電路模塊時,要盡量使它們靠近.所有的地需要聯(lián)接到一個獨立,低阻的地平面上聯(lián)接點應(yīng)直接選在單元電路各自的地上(這也是在全電路板上需要盡可能大面積的導(dǎo)電良好,可以信賴的鋪地的又一原因). 假設(shè)給一個12位的ADC輸入10V信號,ADC的最低位將表示2.5mV(10V/4096).如果印刷板接頭的一個腳用于接地,它的電阻有0.05歐,流經(jīng)的電流為1.5A.在這種情況下,接地腳的壓降將是75mV.如果這個腳僅僅用于數(shù)字邏輯電路的接地,這個壓降是無關(guān)緊要的.但是,這里考慮的是實際中可能出現(xiàn)在模擬-數(shù)字混合電路中的情況,那時這個75mV將對子系統(tǒng)的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響. 在這個例子中,數(shù)字電路是TTL.因為TTL是個飽和邏輯,地電流幅度變化大.流經(jīng)地的變化電流會經(jīng)常產(chǎn)生噪聲.這些變化的電流和噪聲是由數(shù)字電路的開關(guān)動作造成的.這些噪聲,即使是由低數(shù)字電平引起的,也可以耦合進(jìn)電路的模擬部分,對電路的性能形成嚴(yán)重的影響.例如,假如只有上述10%的75mV的電流乘電阻的壓降耦合進(jìn)模擬信號,這個幅度就代表了3個最低位數(shù)字. 結(jié)果如何呢?由于噪聲埋沒了12位轉(zhuǎn)換器最低位的2.5mV信號,因此,原打算用于12位分辨率系統(tǒng)的電路現(xiàn)在只能實現(xiàn)10到11位的精度.有什么解決方法嗎?將多個引線腳接地,以減小總接觸電阻.如圖1所示,這些引線腳也用來隔開模擬和數(shù)字信號. 這種設(shè)計方法看上去過于嚴(yán)格,耗時,但是會在PCB最終裝配到系統(tǒng)中時受益. 將時鐘電路放在靠近板子的中部,因為時鐘要與板子上主要電路元件聯(lián)接,處于電路的中心位置.將時鐘電路安放在板子中央也可以保證數(shù)字信號的線路最短. 在設(shè)計任何包含模擬和數(shù)字電路中,盡管電路元件或者電路功能會不盡相同,但是這些基本技術(shù)內(nèi)容還是適用的.對于接頭都在板子一端的電路卡,應(yīng)避免模擬電路在電路板接頭的一方，數(shù)字信號在電路卡的另一方的結(jié)構(gòu),或者反過來也是一樣的.其中任何一種情況都將造成模擬和數(shù)字線路互相靠近. 雖然將模擬地和數(shù)字地在局部聯(lián)接有助于提高電路板的性能,但是這樣做會給使用ADC和DAC的系統(tǒng)設(shè)計師增加麻煩.在系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)被視為模擬(不是數(shù)字)元件;系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)由有經(jīng)驗,有能力,能經(jīng)常在干擾條件下保護(hù)毫伏級信號的模擬工程師來完成.將ADC和DAC(如同其他模擬器件)放在靠近模擬電路其他元件處.因為,反射使它的模擬信號在較長距離的傳輸中無法保持帶寬和幅度不變;數(shù)字電路部分產(chǎn)生的噪聲會通過地和電源或者靠近模擬元件的輻射耦合進(jìn)模擬電路.. 系統(tǒng)中每張電路板應(yīng)該通過粗導(dǎo)線直接返回到電源的地.一個強(qiáng)制性的要求是,將每張卡的模擬地和數(shù)字地分開,每個地獨自返回到電源地,不要先聯(lián)接好兩個地再用同一根地線返回電源地. 除了接地規(guī)則外高速電路的設(shè)計人員還必須考慮電源的規(guī)則,以便得到最佳結(jié)果.必須對每根引入高速電路或者獲取數(shù)據(jù)電路的電源線在它的返回地線上認(rèn)真地退耦，以防止噪聲進(jìn)入電路.電路板設(shè)計中應(yīng)大方地使用0.01到0.1UF的陶瓷電容,把它們放在盡可能靠近要退耦的器件或者電路處.還有,至少給每個電源線加一個3到20uF高質(zhì)量的鉭電容,安放在盡可能靠近電源進(jìn)線的引線腳處,以防止可能的低頻大紋波傳出電路卡. 在某種程度上印刷電路板的電源聯(lián)接腳可以引入噪聲問題.如果它們的接觸電阻過高,當(dāng)有變化電流流過時,這個由變化電流引起的變化的I*R壓降就是噪聲.這個噪聲將耦合進(jìn)電路的部分電路.給TTL系統(tǒng)供電的5V電源要特別小心這個問題.但是在根據(jù)規(guī)則對接線方式做些變動后,例如用多腳接地后,這個問題就可以得到緩解.用多腳并聯(lián)法接電源線同樣可以降低I*R壓降. 建議在高速電路中使用低噪聲,低紋波,對溫度穩(wěn)定的線性電源.開關(guān)電源看上去也常能滿足上述指標(biāo),包括紋波指標(biāo).但是,紋波指標(biāo)一般用有效值表示,而由開關(guān)電源(switchers)產(chǎn)生的尖峰電壓常造成難以濾除,幅度達(dá)幾百毫伏的不可控噪聲峰值電壓.這些高頻成分將極難從系統(tǒng)的地線中消除. 如果在高速設(shè)計中非要使用開關(guān)電源不可,應(yīng)將它們小心地屏蔽,安放在盡量遠(yuǎn)離工作電路的地方,它們的輸出應(yīng)該更好地濾波. 在使用不同的高精度IC電路實現(xiàn)設(shè)計中會有不同,這類似于(vis-à-vis)在電路設(shè)計中是選擇模塊還是混合電路一樣.一些IC的設(shè)計特地將模擬地和數(shù)字地在器件中分開,因為如果不這樣做,器件就不能較好地實現(xiàn)功能.認(rèn)識到這一點,IC生產(chǎn)廠家一般都非常注意描述如何使他們器件的功能達(dá)到最佳的細(xì)節(jié).讓任何器件發(fā)揮最佳功能的最好方法是認(rèn)真地照廠家的建議去做.如果廠家沒給建議或者建議含混不清,那就去問他們.合理的信號流導(dǎo)致了對地的路徑和對地的聯(lián)接的合理處置-導(dǎo)致了一個預(yù)防隱患的合理方式. |
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