接地良好，数字是模拟的

没有经验的设计人员可能会认为电源去耦电容器和接地是神奇的神秘事物，可以吸收所有不良噪声。他们不是。本应用笔记讨论了正确的电容选择。它解释了电容器无法将功率总线解耦到其自谐振点以上的原因。为了说明电容器在接地层上的力和特性，使用了电子的类比。电子行为被滑稽地说明。通过开槽平面来证明将电流引导到地平面中的地面星点。

介绍

无论多么令人惊讶，一些工程师真的认为“地面”是一种神奇的神秘事物，它像黑洞一样吸收了所有坏东西。我们希望是这样。设计电路要简单得多。

几年前，一位客户遇到了系统噪音问题。与经验丰富的模拟设计工程师一起查看印刷电路板，我们发现缺少功率去耦电容器。地面的孔比瑞士奶酪多。模拟工程师说：“我是这么想的。数字家伙又来了。在这种情况下，数字工程师非常出色，但他只是没有学到模拟技术。数字设计人员未能理解阻抗、传输线、驻波、电源去耦等模拟概念，以及为什么地分为模拟和数字区域。现在我们不想“抨击数字”，如果没有数字，我们将错过很多很多很酷的产品。不幸的是，一些工程教育工作者过于强调数字技术，以至于模拟技能没有得到很好的发展。

本应用笔记讨论了正确的电容选择以及该决定如何影响接地良好的设计。通过开槽平面来证明将电流引导到地平面中的地面星点。讨论首先强调为什么这是必要的，以及数字和模拟电路如何共享对噪声的敏感性。

为什么数字是模拟的

设计人员期望模拟信号容易受到噪声的影响。图1中的较低波形是信号增加噪声的直接结果，显然是一件坏事。然而，数字被认为受到阈值的保护。正如我们将看到的，这种想法是错误的。

图1.输入信号、噪声和两者加在一起。

图2数字部分的阈值意味着顶部波形实际上是模拟的。这怎么可能？高于顶部阈值的区域是我们称信号为“一”的区域，低于底部阈值的区域是我们称为“零”的区域。我们怎么称呼阈值之间的被破坏区域？这是模拟的。所以顶部波形存在噪声。因为噪音低于阈值，数字思维说一切都很好。底部波形没有超过阈值，所以它必须正常！

图2.顶部波形是输入和噪声。底部波形添加了噪声。

现在是时候看看为什么这是数字错误思维了。

图3重复了图1和图2的部分内容，但增加了垂直线来说明模拟噪声如何改变输出时序。显然，不仅仅是错过幅度（向上和向下）阈值是必要的。仔细观察过渡，我们发现负过渡“A”与其预期位置相比很早。正过渡“B”非常接近，所以我们画了一条线。负转换“C”是早期的，正转换“D”是晚期的。噪声已从幅度误差转换为时间抖动位置误差。如果在箭头处对信号进行采样，则将保留信息。但是，如果信号频率较高，则时间误差将以百分比表示较大。最终，采样点将受到损害。

图3.信号加噪声以及由此产生的时间误差。

这些插图说明了为什么我们说数字是模拟的。也就是说，模拟和数字都需要注意保持信号纯度。在这一点上，我们可以考虑保护我们想要的信号的技术。

为应用选择电容器

一种误解是，电容器会吸收电源线的不良噪声，使其消失在地中。不对。另一个概念是电容器生而相等。他们不是。较差的电容器无济于事，即使是高质量的电容器也对频率敏感。所有电容器都具有不可避免的串联电阻和电感。

AVX® 和 Kemet® 是电容器公司，指定寄生元件并提供免费的 Spice 工具。这两个网站上的应用笔记也非常有用。这些 Spice 工具使我们能够绘制电容器的实际性能图。例如，一个0.1μF电容在许多电路中用作去耦。阻抗与频率有关，如表1所示。

 

频率（赫兹）	阻抗 （Z）
1k	1.5千米
33k	50
1.8M	1
10米	0.1
15.8M	0.023，自谐振点

 

Spice程序允许我们评估和更改几个参数以了解电路的功能。电容器类型可以是陶瓷或电解电容器。尺寸和工作电压也是变量。

在敏感电路中，我们可能会看到许多去耦元件。串联电感器、电阻器和铁氧体磁珠将与多个电容器一起形成低通滤波器。选择电容器是为了衰减特定的频率范围。在一个电路上看到四个去耦电容并不罕见。大型电解用作大容量电流存储或低频抑制;两个陶瓷电容器用于减少 10MHz 至 100MHz 范围内的干扰。最后，使用皮法拉范围内的小电容器来限制较高的无线电频率。

表1显示了为什么需要上述四个电容器。在这里，单个0.1μF陶瓷电容器不能有效地降低干扰噪声和低于33kHz或高于15MHz的杂散元件。低于33kHz的电源线和开关电源纹波不会充分衰减。电解值越大越好。0 到 1 兆赫兹之间的噪声通过 15.8μF 电容器正确分流至地。观察到，在0.1MHz时，<>.<>μF电容变为自谐振。这意味着与电容器串联的不可避免的寄生电感占主导地位。高于该频率，电容器看起来像电感器，这种噪声和垃圾无法通过电容器接地。

接地层的重要性

到目前为止，我们已经谈到接地，就好像它是所有东西的低阻抗接收器，并且干扰信号是单个频率。两者都不是真的。请记住，开关电源和数字逻辑电路的快速边沿会产生必须抑制的高频谐波。地面也有问题;它很少接近完美。

设想没有互补电源层或总线的单独接地是不正确的。电流必须绕一个完整的圆才能完成电路。但是，在本说明中，为了简单起见，我们将仅考虑接地层，而忽略电源层。

这听起来很不寻常，甚至很有趣，但像电子一样思考确实有助于讨论。电子本质上是懒惰的。他们总是走最简单的路。水也是一个有用的类比。当我们观察洪水时，我们看到水在没有受到某种限制的情况下散布在整个洪泛平原上。电流在电压层或接地层中的行为方式相同。仔细观察会发现左上角的“好人”（返回的信号电流）和右下角的“坏人”。一些电子知道它们的位置并坚持下去。有些人感到困惑，而另一些人可以被出价最高或最有说服力的人收买（或拉拢）。

这些电子可以自由地在地平面上移动。当它们向左下角的恒星点行进时，这些好的和坏的电子电流可以并且确实混合在一起。（是的，我们知道电子以相反的方式流动，但我们希望类比简单，并与水流的概念相匹配。噪声和干扰是将一种电流污染到另一种电流中。当嘈杂的数字电子流过模拟电路时，它们会将噪声引入线性模拟电路，反之亦然。因此，很明显，所有电路都会因电源和接地不良而降级。美信零件也不例外。

MAX5400/MAX5401数字电位器一侧可连接电源总线或接地。电源或接地上的噪声将直接添加到信号中。MAX6133等基准电压源具有线路调节规范，指示输入电压变化量将反映在输出电压中。MAX5532–MAX5535系列12位DAC在20kHz时具有超过1dB的电源抑制比（PSRR）。这意味着电源总线上的噪声将降低十倍以上。尽管如此，拥有一个能够降低电源噪声的器件并不是当地电源设计管理不佳的借口。好的设计需要好的功率。

人们现在可以问为什么安静的模拟信号不会损害数字电路？哦，但它们确实会损坏数字信号，就像一个数字电路的噪声会干扰其他数字电路一样。正如我们所讨论的，模拟和数字电路在这方面实际上是相同的。唯一的区别是数字中存在阈值。实际上，数字电路中的所有噪声都是不好的。即使低于阈值，噪声也会导致错误和抖动。在模拟中，每个噪声都是不好的，因为没有阈值可以隐藏在后面。

图5b通过添加带有电弧刷的有刷电机使问题复杂化。这些火花的幅度足够大，尽管有阈值，但仍会导致数字电路出错。

围栏实际上是切入地平面的槽，此处显示为围栏下方的虚线。该插槽将接地层分成两部分，只允许在星形接地点附近进行连接。现在电子被迫只留在栅栏的一侧。

现在回到图5b中的电弧、火花电机。

在有刷电机的情况下，电机产生的垃圾将尽可能靠近电机进行抑制。这就是为什么经常发现直接焊接在电机上的电容器以及设置为短路反电动势（EMF）的二极管的原因。电动势是由电机坍塌磁场产生的反向电压尖峰。在有刷电机中，当电刷反弹和换向（切换）电机电流时发生。

在图6a中，数字电路和模拟电路必须相互保护，并免受电弧和火花电机的影响。两个围栏仅在地面星点附近再次连接。

结论

地面星点能解决所有接地问题吗？不，理由从来都不是完美的，每个电路板都是不同的。一个好的地星点是电路板设计的绝佳起点。然后像电子一样体验和思考可以提供洞察力，帮助聚集电子。经验表明，最好从系统规划开始，然后对其进行修改以满足本地电路要求。安静的场地、纪律严明的信号和快乐的电路不会随便发生。它们是设计好的。

审核编辑：郭婷