姓名：劉哲寧
【嵌牛導(dǎo)讀】：在大多數(shù)電子系統(tǒng)中咽安，降噪是一個重要設(shè)計問題蓬推。與功耗限制、環(huán)境溫度變化沸伏、尺寸限制以及速度和精度要求一樣，必須處理好無所不在的噪聲因素馋评，才能使最終設(shè)計獲得成功。
【嵌牛鼻子】 ：高頻數(shù)字電路
【嵌牛提問】：高頻數(shù)字電路需要接地留特？要點是？
【嵌牛正文】：這里蜕青，我們不考慮用于降低“外部噪聲”（與信號一起到達系統(tǒng)）的技術(shù)，因為其存在一般不受設(shè)計工程師直接控制右核。相比之下，防止“內(nèi)部噪聲”（電路或系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生或耦合的噪聲）擾亂信號則是設(shè)計工程師的直接責(zé)任贺喝。今天我們就說說“接地”，而且是針對高頻工作的“接地"
“接地”(Grounding)一般指將電路躏鱼、設(shè)備或系統(tǒng)連接到一個作為參考電位點或參考電位面的良好導(dǎo)體上，為電路或系統(tǒng)與“地”之間建立一個低阻抗的通道染苛。
地線是作為電路或系統(tǒng)電位基準點的等電位體，是系統(tǒng)中各個電路的公共導(dǎo)體茶行，任何電路的電流都會經(jīng)過地線形成回路。然而畔师，任何導(dǎo)體都存在著一定的阻抗，當?shù)鼐€中有電流通過時看锉，根據(jù)歐姆定律结执，地線上就會有電壓存在，那么地線就不是一個等電位體献幔。所以在實際設(shè)計電路或系統(tǒng)時，關(guān)于地線上各點的電位一定相等的假設(shè)就不是成立的蜡感，實際的情況是底線上各點存在電位差，有的相位差還可能很大郑兴。地線的公共阻抗會使各接地點間形成一定的電壓，從而就會產(chǎn)生接地干擾情连。
如上面所說，地線作為導(dǎo)體却舀，存在一定的阻抗，顧名思義挽拔，阻抗也就是由電阻和感抗兩部分組成，即：
導(dǎo)體的阻抗是頻率的函數(shù)螃诅，隨著頻率的升高，阻抗增加很快术裸。對于高速數(shù)字電路而言，電路的時鐘頻率是很高的穗椅，脈沖信號包涵豐富的高頻成分，因此會在地線上產(chǎn)生較大的電壓，則地線阻抗對數(shù)字電路的干擾十分可觀门坷。
在電子產(chǎn)品的PCB設(shè)計中，抑制或防止地線干擾是需要考慮的最主要問題之一默蚌。所謂干擾，必然是發(fā)生在不同的單元電路绸吸、部件或系統(tǒng)之間设江，而地線干擾是指通過公用地線的方式產(chǎn)生的信號干擾。注意這里所提到的信號叉存，通常是指交流信號或者跳變信號姐直。地線干擾的形式很多器仗，有人把它歸結(jié)成兩類：地線環(huán)路干擾糠雨、公共阻抗干擾熏迹，其實應(yīng)該還要加上地線環(huán)路的電磁耦合干擾啼县，因此是三類练俐。下圖可以很好的說明三類地線干擾的成因。
一腺晾、地環(huán)路干擾。橫向丘喻，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓泉粉，對電路造成影響。具體的說就是“其他電路單元B”的地線電流嗡靡，在J、N讨彼、L、M形成的“地線環(huán)路”中哈误，對放大器A1和A2造成了影響。由于這種干擾是由電纜與地線構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的蜜自，因此成為地環(huán)路干擾。
二重荠、地環(huán)路電磁耦合干擾。在實際電路的PCB上戈鲁，J仇参、N婆殿、L、M形成的“地線環(huán)路”將包圍一定的面積鸣皂，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，如果這個環(huán)路所包圍的面積中有變化的磁場存在寞缝，就會在環(huán)路中產(chǎn)生感生電流，形成干擾荆陆。空間磁場的變化無處不在被啼，于是包圍的面積越大干擾就越嚴重。
三浓体、公共阻抗干擾。認真考察上圖所示的電路結(jié)構(gòu)命浴，我們將發(fā)現(xiàn)，J生闲、N、L碍讯、M中，有一條連接是多余的捉兴，隨便去除其一，仍然可以滿足各個接地點的連通關(guān)系倍啥，同時又可以消除地線環(huán)路。那么逗栽，將哪一條連線去除比較合理呢失暂？這時就要考慮另一類的干擾問題——公共阻抗干擾彼宠。
①去除J：這是最差的方案。J去除后地線環(huán)路似乎消失了凭峡，可是另一個更可怕的環(huán)路又形成了（I、N摧冀、L、M）索昂，其中I是信號線，因此干擾比原來有線J時還要嚴重椒惨。
②去除M：環(huán)路消失，但是我們發(fā)現(xiàn)康谆，此時放大器A2的地線電流需要流過J、N到達接地零點沃暗，注意N段是A1和A2共同的接地線，因此A2接地電流在N上形成的電壓降就加到了A1上孽锥，形成干擾。這種因共用一段地線而形成的干擾稱為“公共阻抗干擾”隔崎。
③去除L：不僅不能解決A2與A1之間的公共阻抗干擾問題，還引起了“B單元電路”與A1爵卒、A2之間的公共阻抗干擾問題。
④去除N：看來這是最后的方法钓株。其實這樣做將使M成為A1、A2的“公用阻抗”轴合，同樣形成干擾。還是存在問題受葛！但是，我們注意到总滩，此法中的干擾是A1對A2的干擾纲堵，A2是后級闰渔，工作信號強度遠大于A1，因此A1對A2的干擾冈涧，很難造成不良后果。
最合理的走線方案是：去除N督弓，然后將M的下端直接連到“接地信號零點”上。
以上是關(guān)于接地干擾產(chǎn)生的原因咽筋，下面再介紹的幾種常見的接地方式，結(jié)合前面對接地干擾產(chǎn)生原因的了解奸攻，有助于我們在實際設(shè)計PCB板電路時，正確的選擇干擾最小的接地方式睹耐，設(shè)計出合理的電路或系統(tǒng)。
信號接地方式可以大體上分為：單點接地硝训、多點接地、混合接地和懸浮接地窖梁。
一、單點接地纵刘。單點接地就是把真?zhèn)€電路系統(tǒng)中的某一點作為接地的基準點，所有電路及設(shè)備的地線都必須接到這一點上假哎，并以該點作為電路、設(shè)備的零電位參考點舵抹。單點接地又分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。如下圖所示：
圖２.串聯(lián)單點接地
對于串聯(lián)式單點接地方式,如果該電路的功率很大,會產(chǎn)生很大的電路回流,在有限阻抗上會產(chǎn)生一個電壓降,造成電路和基準地之間的電壓參考值的差異可能使系統(tǒng)不能如預(yù)期的那樣工作惧蛹。如存在多種不同功率等級的電路,不能采用串聯(lián)式單點接地方式,因為大功率電路產(chǎn)生大的回地電流,將影響低功率器件和電路刑枝。如果說一定要采取這種接地方法,那么最敏感的電路必須直接設(shè)置在電源輸入位置處,并且盡量遠離低功率器件和電路迅腔。串聯(lián)單點接地方式和結(jié)構(gòu)都比較簡單仅讽，如果各個電路的接地引線比較短钾挟，其阻抗也會相對小饱岸。如果各個電路的接地電平差別不大，可以采用這種接地方式苫费。
并聯(lián)單點接地方式中，每個電路單元獨用地線連接到同意地點百框，其優(yōu)點是各電路的地點為只與本電路的地電流及地線阻抗有關(guān)，不受其他電路的影響铐维。低頻時可有效的避免各電路單元之間的低阻抗干擾，但是也存在很多缺點嫁蛇。主要表現(xiàn)在：首先，各個電路分別采用獨立地線接地睬棚，需要多跟地線，勢必增加地線長度抑党，從而增加地阻抗，結(jié)構(gòu)復(fù)雜使用麻煩底靠；其次，這種接地方式會造成各地線互相間的耦合苛骨，并且隨著頻率增加，地線阻抗痒芝、地線電感、電線電容都會增大严衬，這種接地方式不適用高頻電路。
二、多點接地赠幕。多點接地是指某一個系統(tǒng)中各個需要接地的電路、設(shè)備都直接接到距離它最近的接地平面上榕堰，一邊接地長度最短，接地阻抗減到最小逆屡。
當電子系統(tǒng)的工作頻率高于1MHz時,以致工作波長與系統(tǒng)接地引線的長度可比擬時,地線就象一根終端短路的傳輸線,地線的電流、電壓呈駐波分布,地線變成了輻射天線,而不能起到地線的作用魏蔗。為了減少接地阻抗,避免輻射,地線的長度應(yīng)小于1/20波長,因而單點接地方法是不合理的,通常采用多點接地技術(shù)。多點接地電路結(jié)構(gòu)簡單,接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象顯著減少,但多點接地可能會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部形成許多接地環(huán)路,容易對設(shè)備內(nèi)部的敏感店里產(chǎn)生地環(huán)路干擾莺治。
一般來說帚稠，頻率在1MHz以下時可采用單點接地方式谣旁，頻率高于10MHz時可采用多點接地方式滋早，而頻率在1——10MHz時，通常采用混合接地方式馆衔。
三、混合接地角溃。混和接地是單點接地和多點接地的復(fù)合减细。在PCB 中存在高低頻混合頻率時,常使用這種接地方式。
圖5.混合接地-容性耦合? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖6.混合接地-感性耦合
圖5和圖6提供了兩種混和接地方法未蝌。對于電容耦合型電路，在低頻時呈現(xiàn)單點接地結(jié)構(gòu)萧吠，而在高頻時呈現(xiàn)多點接地狀態(tài)。這是因為電容將高頻電流分流到了地纸型。這種方法成功的關(guān)鍵在于清楚使用的頻率和接地電流預(yù)期流向梅忌。在接地拓撲結(jié)構(gòu)中使用電容和電感除破，使我們能用一種優(yōu)化設(shè)計的方式控制射頻電流牧氮。通過確定射頻電流要通過的路徑瑰枫，可以控制PCB 的布線。對射頻電流回路缺乏認識可能導(dǎo)致輻射或敏感度方面的問題光坝。
? ? 四、懸浮接地教馆。
? ? ? ? 懸浮地是指設(shè)備的地線系統(tǒng)與殼體構(gòu)件的接大地系統(tǒng)在電氣上相互絕緣擂达，以防止殼體構(gòu)件中的電磁干擾傳導(dǎo)到設(shè)備中去土铺。但是板鬓，由于設(shè)備不與公共地相連，故懸浮接地容易在兩者之間造成靜電積累俭令，當電荷積累到一定程度后，在設(shè)備與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電抄腔，產(chǎn)生干擾放電電流。懸浮接地不適用于通信系統(tǒng)中赫蛇。
了解了以上的內(nèi)容，那么在實際的BCB板的印刷中悟耘，要以上面的理論依據(jù)為基礎(chǔ)對地線進行合理布局。在對地線布局時筏勒，通常要注意以下幾點：
一、數(shù)字地與模擬地要分開管行；
二、數(shù)字電路地線不要構(gòu)成閉合環(huán)路病瞳；
三揽咕、多層PCB中,盡量將地線層和電源層放置在相鄰的層中套菜；
四、地線逗柴、電源線和信號線寬度設(shè)計要合理。
以上這些注意點戏溺，要在實際操作中慢慢研究體會。
? ? ? ? 在進行高速電路設(shè)計時旷祸，合理的接地設(shè)計是最有效的電磁兼容設(shè)計技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計托享，90%的電磁兼容問題是由于布線和接地不當造成的。好的布線和接地既能夠提高抗擾度闰围，又能減小干擾發(fā)射，同時也有可能再成本較低的情況下解決許多電磁干擾問題羡榴，所以在進行高速電路的PCB板設(shè)計時，合理的設(shè)計接地至關(guān)重要校仑。
? ? ? ? 一般提倡電源和信號電流最好通過“接地層”返回，而且該層還可為轉(zhuǎn)換器迄沫、基準電壓源和其它子電路提供參考節(jié)點。但是腐螟，即便廣泛使用接地層也不能保證交流電路具有高質(zhì)量接地參考。
圖 1所示為簡單電路采用兩層印刷電路板制造乐纸，頂層上有一個交直流電流源，其一端連到過孔 1汽绢，另一端通過一條 U 形銅走線連到過孔 2。兩個過孔均穿過電路板并連到接地層宁昭。理想情況下，阻抗為 0积仗，電流源上的電壓為 0 V。
圖 1. 電流源的原理圖和布局寂曹，PC板上布設(shè)U形走線，通過接地層返回隆圆。
這個簡單的原理圖遠不能反映真實的情況，但了解電流如何在接地層中從過孔 1 流到過孔 2渺氧，將有助于我們看清實際問題所在，并找到消除高頻布局接地噪聲的方法侣背。
電感與電流環(huán)路的面積成比例，二者之間的關(guān)系可以用圖 2 所示的右手法則和磁場來說明秃踩。環(huán)路之內(nèi)业筏，沿著環(huán)路所有部分流動的電流所產(chǎn)生的磁場相互增強。環(huán)路之外蒜胖，不同部分所產(chǎn)生的磁場相互削弱。因此台谢，磁場原則上被限制在環(huán)路以內(nèi)。環(huán)路越大則電感越大朋沮，這意味著：對于給定的電流水平，它儲存的磁能更多樊拓，阻抗更高，因而將在給定頻率產(chǎn)生更大電壓筋夏。
圖2. 磁力線和感性環(huán)路
在圖中所示的簡單例子中，面積最小的環(huán)路顯然是由 U 形頂部走線與其正下方的接地層部分所形成的環(huán)路条篷。圖 3（左）則顯示了大多數(shù)交流電流在接地層中選取的路徑蛤织，它所圍成的面積最小鸿染，位于 U 形頂部導(dǎo)線正下方指蚜。實際應(yīng)用中牡昆，接地層電阻會導(dǎo)致低中頻電流流向直接返回路徑與頂部導(dǎo)線正下方之間的某處（右圖）。不過丢烘，即使頻率低至 1-2 MHz，返回路徑也是接近頂部走線的下方播瞳。
圖 3. 接地層中不含（左圖）和含（右圖）電阻的交流電流路徑
如何避免布局問題？一旦了解電流在接地層中的返回路徑赢乓，就可以找出并糾正常見布局問題。例如在圖4 中牌芋，路徑 A 被認定是關(guān)鍵路徑，應(yīng)當保持最短躺屁，遠離數(shù)字線路，并且不得有過孔驯击。路徑 B 不那么重要，但需要穿過路徑 A耐亏。通常是切開路徑 A 下面的接地層，然后經(jīng)過兩個過孔并在路徑 A 下方布設(shè)路徑 B暇矫。
圖4. 路徑交叉時的典型 PCB 布局問題
但結(jié)果令人遺憾，兩個信號的接地回路中均引入了電感袱耽，因為中斷的接地層使兩條環(huán)路的面積均變得更大。路徑 A 傳導(dǎo)高頻信號朱巨，因此接地層的開口上將出現(xiàn)感應(yīng)壓降。對于典型的 ECL或 TTL 信號冀续，此壓降可能大于數(shù)百毫伏，足以嚴重影響 12 位洪唐、10 MHz 轉(zhuǎn)換器或 8 位、20-MHz 轉(zhuǎn)換器的性能凭需。簡單的補救方法是在接地層的切口上添加一根導(dǎo)線，使環(huán)路面積保持較小粒蜈。
電源干擾是另一個值得關(guān)注的問題。電源線的特性阻抗必須盡可能低枯怖。為使此比值較小，需要使接地層始終位于電源線下方度硝，以便降低電感并提高電容。有選擇地將旁路電容放在關(guān)鍵位置上蕊程，可以進一步提高電容。如果只顧及到電容藻茂，例如將 0.1 μF 電容放在電源引腳上以降低其阻抗，則電感為 30 nH 的電源線在每次瞬變之后將具有大約 3MHz 的阻尼振蕩岗钩。
參考文獻
信號完整性公眾號? 蔣修國
高速系統(tǒng)PCB設(shè)計的接地技術(shù)? 劉海帝
黃智偉.《印制電路板（PCB）設(shè)計技術(shù)與實踐》.電子工業(yè)出版社
ADI大學(xué)計劃.《高速設(shè)計技術(shù)》.電子工業(yè)出版社
于治樓;杜光芹.高速PCB的地線布線設(shè)計.信息技術(shù)與信息化
蘇小華;聞映紅.電子設(shè)備的接地技術(shù).安全與電磁兼容
