基于電路系統(tǒng)接地技術(shù)的研究
摘 要：接地在電路設(shè)計(jì)起到關(guān)鍵性的作用，接地處理的好壞與電子產(chǎn)品在使用過程中產(chǎn)生的問題密切相關(guān)，并且直接影響到電子產(chǎn)品的使用性能。該文將對幾種接地方法進(jìn)行介紹和分析，旨在減少接地因素對電路設(shè)計(jì)的影響。
關(guān)鍵詞：電路系統(tǒng) 接地技術(shù) 研究
保持接地平面的低阻抗和大面積，是目前所有的電路設(shè)計(jì)中的必要條件。接地平面除了是高頻電流的低阻返回路徑外，還能夠?qū)MI/RFI輻射降到最低。另外，接地平面具備的屏蔽作用能夠降低電路對外部EMI/RFI的敏感度。接地技術(shù)的引進(jìn)，是保護(hù)電力和電子系統(tǒng)不受雷擊等因素影響而采取的保護(hù)措施，其目的就是保護(hù)電路使用的有效性，減少對電路設(shè)計(jì)造成的影響。
1 接地方法之多卡板系統(tǒng)接地
利用另外一塊PCB作為背板對卡板之間進(jìn)行連接，來提供一個(gè)連續(xù)的地平面到母板，是在多個(gè)板卡的系統(tǒng)里能夠?qū)⒔拥刈杩菇档阶畹偷淖詈棉k法之一[1]。PCB的連接器上的引腳應(yīng)該在背板母板上連接到地平面，其中用于接地的引腳不低于總數(shù)的30%～40%。在完整的系統(tǒng)接地構(gòu)架里面，存在兩種可能，一種是通過一定數(shù)量的引腳將背板接地平面和機(jī)殼地面之間進(jìn)行連接;另一種是將接地地面與一個(gè)單一系統(tǒng)的“星形地”的接點(diǎn)進(jìn)行連接。
以上提到的第一種方法經(jīng)常使用在頻率很高和返回電流相對恒定的地方，PCB板卡背板與機(jī)殼連接間可能出現(xiàn)問題的關(guān)鍵是與金屬機(jī)殼之間連接的良好程度，所以在連接時(shí)需要使用金屬自攻螺釘或者將墊圈夾緊。由于經(jīng)過陽極化處理后的鋁板表面發(fā)揮絕緣體的作用，所以在使用這樣的鋁板作為地板材料時(shí)要特別注意它的絕緣作用對電路的影響。第二種方法經(jīng)常使用在含有大量數(shù)字電路的高速體統(tǒng)中。通常情況下，模擬器件和數(shù)字器件有各自獨(dú)立的地平面，這是為了將敏感的模擬器件和噪聲的數(shù)字器件進(jìn)行物理隔離。當(dāng)PCB 上同時(shí)存在模擬電路和數(shù)字電路時(shí)，就需要使用兩個(gè)獨(dú)立的地平面。為了將兩者之間的電容耦合降低，要注意將地平面相互分開，不能覆蓋在一起。相互分離的模擬地平面和數(shù)字地平面連接在背板上時(shí)，既可以使用母板地平面，也可以使用“接地屏”，即由連接器之間引腳之間等一系列相互的連線組成的平面。
2 接地方法之混合信號系統(tǒng)接地
模擬地是敏感模擬器件參考和去耦的根據(jù)，其他混合信號集成電路比如ADC和DAC也應(yīng)該根據(jù)模擬器件進(jìn)行考慮，在模擬地平面上接地和去耦。由于一個(gè)轉(zhuǎn)化器上同時(shí)存在模擬接口和數(shù)字接口，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些互相矛盾的情況。不管是ADC還是DAC，其電路內(nèi)部同時(shí)存在模擬電路和數(shù)字電路，所以它們的接地腳一般情況下是分開的，這樣做的目的是為了避免數(shù)字信號耦合到模擬電路中。然而，電路設(shè)計(jì)者通常不可能做到去除芯片上的焊盤到封裝引腳之間的的電感和電阻。如果迅速改變數(shù)字電流在某點(diǎn)產(chǎn)生的電壓，數(shù)字信號通常就會(huì)通過寄生電容耦合到模擬電路中。除此之外，在集成電路封裝的.每一個(gè)引腳之間都存在0.2pF左右的寄生電容，并且集成電路設(shè)計(jì)人員在考慮芯片的使用性能時(shí)并不把引腳的問題包含在考慮之中[2]。由此可見，數(shù)字信號很難不耦合到模擬電路當(dāng)中。因此為了阻止耦合的深化，應(yīng)該用最小的引線長度在外部將AGND和DGND腳連在一起，再與模擬地平面連接。在進(jìn)行DGND連接的過程中，所有的外部抗阻都會(huì)造成數(shù)字噪點(diǎn)，然后通過寄生電容在模擬電路中耦合數(shù)字信號。集成電路的“DGND”腳應(yīng)該與IC的數(shù)字地進(jìn)行連接，但是并不是說這些腳連接的地方必須是系統(tǒng)的數(shù)字地。
3 接地方法之取樣時(shí)鐘電路接地
在設(shè)計(jì)取樣時(shí)鐘電路時(shí)，相位噪聲是系統(tǒng)信噪比(SNR)退化的關(guān)鍵因素。ADC的時(shí)鐘取樣使用的是低相位晶體振蕩器，由于取樣時(shí)鐘通過抖動(dòng)對輸入信號進(jìn)行調(diào)制，因此增加了失真和噪聲基地。應(yīng)該將取樣時(shí)鐘發(fā)生器與產(chǎn)生噪聲的數(shù)字電路進(jìn)行隔離，并且在模擬地平面上接地和退耦。
在分離接地系統(tǒng)中，最理想的狀態(tài)是把取樣時(shí)鐘發(fā)生器參考到模擬地平面上，但是系統(tǒng)在系統(tǒng)的限制下，這樣理想的情況并不常有。通常在大多數(shù)情況下，由頻率更高的多用途系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)取樣時(shí)鐘，并且這個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生于數(shù)字接地平面。如果該系統(tǒng)從原來的數(shù)字地平面到模擬地平能夠到達(dá)ADC，在兩個(gè)平面上產(chǎn)生噪聲就會(huì)全部加到這個(gè)時(shí)鐘上，進(jìn)而產(chǎn)生大量的抖動(dòng)，抖動(dòng)作用在信噪比上，使其降低，最終產(chǎn)生諧波，造成一定的不良影響。出現(xiàn)此類情況時(shí)，通常使用一個(gè)小型RF變壓器或者一對高速差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和接收器對取樣時(shí)鐘信號進(jìn)行傳播輸送。為了將相位抖動(dòng)減少，應(yīng)采用ECL電路下的驅(qū)動(dòng)器和接收器。另外，原主要的系統(tǒng)時(shí)鐘必須產(chǎn)生于一個(gè)低相噪晶體振蕩器。
4 接地方法之PCB接地
為了減小串聯(lián)電感，在設(shè)計(jì)PCB布線時(shí)集成電路全部的引腳都應(yīng)該在接地平面上焊接。與此同時(shí)，電源引腳上應(yīng)采用低電感的瓷介表面安裝電容器。如果安裝電容器使用的是通孔，那么它們的引線長度必須在1 mm之內(nèi)。接地平面能夠?qū)CB布線的阻抗進(jìn)行控制，進(jìn)而使高頻信號通過布線的抗阻進(jìn)行端接，將反射降到最低[3]。另外，接地平面必須是PCB系統(tǒng)中一個(gè)完整結(jié)構(gòu)中的一層。一個(gè)雙平面的一面作為地另一面用來連接導(dǎo)線，這是最理想的狀態(tài)。而在實(shí)際中，往往不可能出現(xiàn)這樣的理想情況，由于必須去掉某些接地平面作為信號和電源跨接和傳輸?shù)耐�，但是并不是去掉所有的平面，保留的面積至少不低于75%。為了保證電流能夠順利返回通路到接地平面上，在完成初始布線后，應(yīng)對接地層仔細(xì)檢查，確保不存在起隔離作用的地“島”造成電路的不良影響。
5 結(jié)語
總之，影響電路性能的最不利因素之一就是接地方式的是否合理，所以提高電路的使用性能必須首先優(yōu)化接地方式并合理接地。以上幾種典型接地方式，能夠有效減少電路中經(jīng)常出現(xiàn)的不良情況，如故障和元器件損壞等等，將電路系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)的重要作用在整個(gè)電路設(shè)計(jì)中完全發(fā)揮出來。
參考文獻(xiàn)
[1] 肖中南.大型建筑中強(qiáng)弱電系統(tǒng)的接地問題[J].黑龍江科技信息，2014(11)：179-180.
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[3] 袁績海.淺析電力設(shè)備中的實(shí)用接地技術(shù)[J].河南科技，2013(23)：148.
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