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基于電路系統接地技術的研究
摘 要：接地在電路設計起到關鍵性的作用，接地處理的好壞與電子產品在使用過程中產生的問題密切相關，并且直接影響到電子產品的使用性能。該文將對幾種接地方法進行介紹和分析，旨在減少接地因素對電路設計的影響。
關鍵詞：電路系統 接地技術 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。接地技術的引進，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行連接，來提供一個連續的地平面到母板，是在多個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，一種是通過一定數量的引腳將背板接地平面和機殼地面之間進行連接;另一種是將接地地面與一個單一系統的“星形地”的接點進行連接。
以上提到的第一種方法經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題的關鍵是與金屬機殼之間連接的良好程度，所以在連接時需要使用金屬自攻螺釘或者將墊圈夾緊。由于經過陽極化處理后的鋁板表面發揮絕緣體的作用，所以在使用這樣的鋁板作為地板材料時要特別注意它的絕緣作用對電路的影響。第二種方法經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行物理隔離。當PCB 上同時存在模擬電路和數字電路時，就需要使用兩個獨立的地平面。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，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，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行考慮，在模擬地平面上接地和去耦。由于一個轉化器上同時存在模擬接口和數字接口，所以經常會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產生的電壓，數字信號通常就會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并不把引腳的問題包含在考慮之中[2]。由此可見，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。在進行DGND連接的過程中，所有的外部抗阻都會造成數字噪點，然后通過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的數字地進行連接，但是并不是說這些腳連接的地方必須是系統的數字地。
3 接地方法之取樣時鐘電路接地
在設計取樣時鐘電路時，相位噪聲是系統信噪比(SNR)退化的關鍵因素。ADC的時鐘取樣使用的是低相位晶體振蕩器，由于取樣時鐘通過抖動對輸入信號進行調制，因此增加了失真和噪聲基地。應該將取樣時鐘發生器與產生噪聲的數字電路進行隔離，并且在模擬地平面上接地和退耦。
在分離接地系統中，最理想的狀態是把取樣時鐘發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鐘驅動取樣時鐘，并且這個系統時鐘產生于數字接地平面。如果該系統從原來的數字地平面到模擬地平能夠到達ADC，在兩個平面上產生噪聲就會全部加到這個時鐘上，進而產生大量的抖動，抖動作用在信噪比上，使其降低，最終產生諧波，造成一定的不良影響。出現此類情況時，通常使用一個小型RF變壓器或者一對高速差動驅動器和接收器對取樣時鐘信號進行傳播輸送。為了將相位抖動減少，應采用ECL電路下的驅動器和接收器。另外，原主要的系統時鐘必須產生于一個低相噪晶體振蕩器。
4 接地方法之PCB接地
為了減小串聯電感，在設計PCB布線時集成電路全部的引腳都應該在接地平面上焊接。與此同時，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，那么它們的引線長度必須在1 mm之內。接地平面能夠對PCB布線的阻抗進行控制，進而使高頻信號通過布線的抗阻進行端接，將反射降到最低[3]。另外，接地平面必須是PCB系統中一個完整結構中的一層。一個雙平面的一面作為地另一面用來連接導線，這是最理想的狀態。而在實際中，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
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電路設計中完全發揮出來。
參考文獻
[1] 肖中南.大型建筑中強弱電系統的接地問題[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] 袁績海.淺析電力設備中的實用接地技術[J].河南科技，2013(23)：148.
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