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基于電路系統接地技術(shù)的研究
摘 要：接地在電路設計起到關(guān)鍵性的作用，接地處理的好壞與電子產(chǎn)品在使用過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)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計的影響。
關(guān)鍵詞：電路系統 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計中的必要條件。接地平面除了是高頻電流的低阻返回路徑外，還能夠將EMI/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)，是保護電力和電子系統不受雷擊等因素影響而采取的保護措施，其目的就是保護電路使用的有效性，減少對電路設計造成的影響。
1 接地方法之多卡板系統接地
利用另外一塊PCB作為背板對卡板之間進(jìn)行連接，來(lái)提供一個(gè)連續的地平面到母板，是在多個(gè)板卡的系統里能夠將接地阻抗降到最低的最好辦法之一[1]。PCB的連接器上的引腳應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的30%～40%。在完整的系統接地構架里面，存在兩種可能，一種是通過(guò)一定數量的引腳將背板接地平面和機殼地面之間進(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板卡背板與機殼連接間可能出現問(wèn)題的關(guān)鍵是與金屬機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(guò)陽(yáng)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字電路的高速體統中。通常情況下，模擬器件和數字器件有各自獨立的地平面，這是為了將敏感的模擬器件和噪聲的數字器件進(jìn)行物理隔離。當PCB 上同時(shí)存在模擬電路和數字電路時(shí)，就需要使用兩個(gè)獨立的地平面。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(kāi)，不能覆蓋在一起。相互分離的模擬地平面和數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(xiàn)組成的平面。
2 接地方法之混合信號系統接地
模擬地是敏感模擬器件參考和去耦的根據，其他混合信號集成電路比如ADC和DAC也應該根據模擬器件進(jìn)行考慮，在模擬地平面上接地和去耦。由于一個(gè)轉化器上同時(shí)存在模擬接口和數字接口，所以經(jīng)常會(huì )出現一些互相矛盾的情況。不管是ADC還是DAC，其電路內部同時(shí)存在模擬電路和數字電路，所以它們的接地腳一般情況下是分開(kāi)的，這樣做的目的是為了避免數字信號耦合到模擬電路中。然而，電路設計者通常不可能做到去除芯片上的焊盤(pán)到封裝引腳之間的的電感和電阻。如果迅速改變數字電流在某點(diǎn)產(chǎn)生的電壓，數字信號通常就會(huì )通過(guò)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，并且集成電路設計人員在考慮芯片的使用性能時(shí)并不把引腳的問(wèn)題包含在考慮之中[2]。由此可見(jiàn)，數字信號很難不耦合到模擬電路當中。因此為了阻止耦合的深化，應該用最小的引線(xiàn)長(cháng)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(guò)程中，所有的外部抗阻都會(huì )造成數字噪點(diǎn)，然后通過(guò)寄生電容在模擬電路中耦合數字信號。集成電路的“DGND”腳應該與IC的數字地進(jìn)行連接，但是并不是說(shuō)這些腳連接的地方必須是系統的數字地。
3 接地方法之取樣時(shí)鐘電路接地
在設計取樣時(shí)鐘電路時(shí)，相位噪聲是系統信噪比(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(guò)抖動(dòng)對輸入信號進(jìn)行調制，因此增加了失真和噪聲基地。應該將取樣時(shí)鐘發(fā)生器與產(chǎn)生噪聲的數字電路進(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，但是系統在系統的限制下，這樣理想的情況并不常有。通常在大多數情況下，由頻率更高的多用途系統時(shí)鐘驅動(dòng)取樣時(shí)鐘，并且這個(gè)系統時(shí)鐘產(chǎn)生于數字接地平面。如果該系統從原來(lái)的數字地平面到模擬地平能夠到達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。出現此類(lèi)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，應采用ECL電路下的驅動(dòng)器和接收器。另外，原主要的系統時(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，在設計PCB布線(xiàn)時(shí)集成電路全部的引腳都應該在接地平面上焊接。與此同時(shí)，電源引腳上應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(xiàn)長(cháng)度必須在1 mm之內。接地平面能夠對PCB布線(xiàn)的阻抗進(jìn)行控制，進(jìn)而使高頻信號通過(guò)布線(xiàn)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系統中一個(gè)完整結構中的一層。一個(gè)雙平面的一面作為地另一面用來(lái)連接導線(xiàn)，這是最理想的狀態(tài)。而在實(shí)際中，往往不可能出現這樣的理想情況，由于必須去掉某些接地平面作為信號和電源跨接和傳輸的通路，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(xiàn)后，應對接地層仔細檢查，確保不存在起隔離作用的地“島”造成電路的不良影響。
5 結語(yǔ)
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)常出現的不良情況，如故障和元器件損壞等等，將電路系統接地設計的重要作用在整個(gè)電路設計中完全發(fā)揮出來(lái)。
參考文獻
[1] 肖中南.大型建筑中強弱電系統的接地問(wèn)題[J].黑龍江科技信息，2014(11)：179-180.
[2] 郝麗霞.深入淺出談接地[J].中國科技信息，2013(15)：116，124.
[3] 袁績(jì)海.淺析電力設備中的實(shí)用接地技術(shù)[J].河南科技，2013(23)：148.
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