Intersil专家讲解:走线接地不理想性的处理办法

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接地理应是理想的。它对杂散电流应当如同一个黑洞,其所在位置的电压始终为零。遗憾的是,杂散电流会穿过一些非超导材料,所以存在小幅电压上升。你可能没有注意到接地电势的微小变化,但可能注意到多余噪声或不稳定性或你的系统中的其他不良特征。接下来我们就探讨一下接地。每个电路都是独特的,你的电路板和你的系统中的每个器件的接地线路都各不相同。因此,我们尝试从一个直观方案开始,让你对电流所选择的行进路线以及该选择会对接地电压应为零的理想假设有何影响有个概念。
首先,请记住电路只有在电流具有完整行进路线时才是完整的(所以才可以将开关置于该路线的任何地方来中断电流和功能)。电源产生电势差,推动电流行进(如果存在供其行进的路线的话)。假设有一个单电源系统,那么我们自然希望确保正电源连接尽可能短而“干净”。我们添加旁路电容器——有时是多种电容值和类型的旁路电容器——来在电压进入每个关键芯片的位置对其进行过滤。然后,由于我们的集成电路上有一个接地引脚,所以我们将其连接至接地线或接地层。对我们中的许多人来说,我们对接地的认识就到此为止……除非有问题出现。
查找电路问题的常用方法之一是用数字万用表探测电路中的重要节点。如果这查不出问题,则尝试探测各个位置的接地情况。你可能会对你的发现感到惊讶。系统中的接地非常像我们在大自然的地。这里有来自穴居动物的洞穴和来自沙、粘土、土壤和各类岩石的各种材料。材料的相容性和结构会影响水、动物和树根等事物在大地中的行进。这三种行进者都会选择阻力最小的路线。它们会自然而然地避开其行进路线上的障碍物或绕着障碍物行进。
在电路中,有许多因素都会影响接地层中的电流。例如构成接地层的金属的纯度以及金属应用于印刷电路板的相容性。电路中有连接至或穿过接地层的过孔,有来自其他集成电路的电流在寻找穿过接地层通向电源的路线。
你是否想过我们为何将旁路电容器置于尽可能邻近集成电路的位置?因为这会提供高频路线来短路可能存在的任何高频信号甚或在聚集在电源线路上的高频信号(铜线是一种优良的偶极天线,其接收的频率严重依赖于走线和/或导线的长度)。我们在前面提到使用数字万用表来探测电路节点的方法。在涉及旁路电容器的放置时,使用示波器进行探测会揭示更多信息。你将不仅会找到在你的系统中传播的频率,还很有可能发现来自本地电台或者我们日常生活中的许多无线发射源的信号。这些信号通过长走线耦合进我们系统中的操作并带来严重破坏。它们不仅存在于电源线上,而且也在大地中传播。
图 1. 一个采用SOT-23封装的运算放大器的布局,其中突出显示了旁路电容器的位置。
 
图1显示了旁路电容器放置的一个例子。处于中央位置的SOT-23 封装焊盘将安装一个运算放大器。每个双电源引脚上连接一个旁路电容器。请注意,电容器的另一端是接地的。接地连线并非一根最终连接至地平面的长导线,而是通过一块大的矩形顶层金属让高频电流轻松穿过两个邻近过孔,到达接地层。
图2. 一个印刷电路板的布局,其中包括对用作一个多路复用器的信号源的两个独立运算放大器的两个输入。
 
绿色虚线显示了这些信号穿过接地层返回输入连接器的接地引脚的路线。绿色虚线越长,接地电流的浓度越高。
一旦不良信号达到地平面,它们就不会魔术般地消失。它们继续在地平面中行进。正是在该行进过程中,它们耦合进系统中的其他信号,而且不只影响具有长走线的集成电路。图2显示了电流的行进方式。你会注意到,图1中的运算放大器布局在图2中的电路的输入部分复制了两次。我们现在跟随该电流穿过接地连线(图1中突出显示为旁路电容器之间的公用连线)。该电流的大部分通向输入连接器的接地引脚的直线路线。但是请注意电流密度的扩散方式。它以一个你能够想象的宽广弧形行进(如果我们把它们全都画在另一个图上,那么看起来会更像是焰火)。信号就是这样从一个集成电路耦合到另一个集成电路,干扰信号就是这样耦合进你的系统的每个部分。
请注意,有两个特征将会影响电流的传播和返回路线的形状。第一是距离。促使消费电子产品小型化的因素对此方面有极大的帮助。但是,随着印刷电路板变得越来越小,器件变得越来越密集。距离减小了,但现在多个接地返回路线靠近在一起。当电流边缘的重叠时,信号就会发生交织。
图3. 接地层中的线路分割消除了输入A和输入B的返回接地路线之间的任何串扰。
 
我们能做什么?线路板布局必须慎重。使高频电路尽可能紧凑。你可能甚至选择用地平面金属走线或分割线把这些器件隔离开来。图3提供了一个例子。输入A的返回电流不再与输入B的返回电流重叠。在此例中,知道接地的非理想性质使我们能够改进我们的系统的运行。一个完整接地“层”的作用比不上带有用于引导返回电流的分割线接地层。如果我们假设接地是理想的,那么我们就不能做出这一改进。
 
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