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        良好接地指導原則

        作者: 時間:2013-04-11 來源:網絡 收藏

        圖1顯示了ADC的接地連接這一概念。這樣的引腳接法會在一定程度上降低轉換器的數字噪聲抗擾度,降幅等于系統數字地和模擬地之間的共模噪聲量。但是,由于數字噪聲抗擾度經常在數百或數千毫伏水平,因此一般不太可能有問題。

        模擬噪聲抗擾度只會因轉換器本身的外部數字電流流入模擬地而降低。這些電流應該保持很小,通過確保轉換器輸出沒有高負載,可以最大程度地減小電流。實現這一目標的好方法是在ADC輸出端使用低輸入電流緩沖器,例如CMOS緩沖器-寄存器IC。

        圖1. 數據轉換器的模擬地(AGND)和數字地(DGND)引腳應返回到系統模擬地。

        如果轉換器的邏輯電源利用一個小電阻隔離,并且通過0.1 μF (100 nF)電容去耦到模擬地,則轉換器的所有快速邊沿數字電流都將通過該電容流回地,而不會出現在外部地電路中。如果保持低阻抗模擬地,而能夠充分保證模擬性能,那么外部數字地電流所產生的額外噪聲基本上不會構成問題。

        接地層

        接地層的使用與上文討論的星型接地系統相關。為了實施接地層,雙面PCB(或多層PCB的一層)的一面由連續(xù)銅制造,而且用作地。其理論基礎是大量金屬具有可能最低的電阻。由于使用大型扁平導體,它也具有可能最低的電感。因而,它提供了最佳導電性能,包括最大程度地降低導電平面之間的雜散接地差異電壓。

        請注意,接地層概念還可以延伸,包括 電壓層。電壓層提供類似于接地層的優(yōu)勢—極低阻抗的導體—但只用于一個(或多個)系統電源電壓。因此,系統可能具有多個電壓層以及接地層。

        雖然接地層可以解決很多地阻抗問題,但它們并非靈丹妙藥。即使是一片連續(xù)的銅箔,也會有殘留電阻和電感;在特定情況下,這些就足以妨礙電路正常工作。設計人員應該注意不要在接地層注入很高電流,因為這樣可能產生壓降,從而干擾敏感電路。

        保持低阻抗大面積接地層對目前所有模擬電路都很重要。接地層不僅用作去耦高頻電流(源于快速數字邏輯)的低阻抗返回路徑,還能將EMI/RFI輻射降至最低。由于接地層的屏蔽作用,電路受外部EMI/RFI的影響也會降低。

        接地層還允許使用傳輸線路技術(微帶線或帶狀線)傳輸高速數字或模擬信號,此類技術需要可控阻抗。

        由于“總線(bus wire)”在大多數邏輯轉換等效頻率下具有阻抗,將其用作“地”完全不能接受。例如,#22標準導線具有約20 nH/in的電感。由邏輯信號產生的壓擺率為10 mA/ns的瞬態(tài)電流,流經1英寸該導線時將形成200 mV的無用壓降:


        對于具有2 V峰峰值范圍的信號,此壓降會轉化為大約200 mV或10%的誤差(大約“3.5位精度”)。即使在全數字電路中,該誤差也會大幅降低邏輯噪聲裕量。

        圖2顯示數字返回電流調制模擬返回電流的情況(頂圖)。接地返回導線電感和電阻由模擬和數字電路共享,這會造成相互影響,最終產生誤差。一個可能的解決方案是讓數字返回電流路徑直接流向GND REF,如底圖所示。這顯示了“星型”或單點接地系統的基本概念。在包含多個高頻返回路徑的系統中很難實現真正的單點接地。因為各返回電流導線的物理長度將引入寄生電阻和電感,所以獲得低阻抗高頻接地就很困難。實際操作中,電流回路必須由大面積接地層組成,以便獲取高頻電流下的低阻抗。如果無低阻抗接地層,則幾乎不可能避免上述共享阻抗,特別是在高頻下。

        所有集成電路接地引腳應直接焊接到低阻抗接地層,從而將串聯電感和電阻降至最低。對于高速器件,不推薦使用傳統IC插槽。即使是“小尺寸”插槽,額外電感和電容也可能引入無用的共享路徑,從而破壞器件性能。如果插槽必須配合DIP封裝使用,例如在制作原型時,個別“引腳插槽”或“籠式插座”是可以接受的。以上引腳插槽提供封蓋和無封蓋兩種版本。由于使用彈簧加載金觸點,確保了IC引腳具有良好的電氣和機械連接。不過,反復插拔可能降低其性能。

        圖2. 流入模擬返回路徑的數字電流產生誤差電壓。

        應使用低電感、表面貼裝陶瓷電容,將電源引腳直接去耦至接地層。如果必須使用通孔式陶瓷電容,則它們的引腳長度應該小于1 mm。陶瓷電容應盡量靠近IC電源引腳。噪聲過濾還可能需要鐵氧體磁珠。

        這樣的話,可以說“地”越多越好嗎?接地層能解決許多地阻抗問題,但并不能全部解決。即使是一片連續(xù)的銅箔,也會有殘留電阻和電感;在特定情況下,這些就足以妨礙電路正常工作。圖3說明了這個問題,并給出了解決方法。

        圖3. 割裂接地層可以改變電流流向,從而提高精度。

        由于實際機械設計的原因,電源輸入連接器在電路板的一端,而需要靠近散熱器的電源輸出部分則在另一端。電路板具有100 mm寬的接地層,還有電流為15 A的功率放大器。如果接地層厚0.038 mm,15 A的電流流過時會產生68 μV/mm的壓降。對于任何共用該PCB且以地為參考的精密模擬電路,這種壓降都會引起嚴重問題。可以割裂接地層,讓大電流不流入精密電路區(qū)域,而迫使它環(huán)繞割裂位置流動。這樣可以防止接地問題(在這種情況下確實存在),不過該電流流過的接地層部分中電壓梯度會提高。

        在多個接地層系統中,請務必避免覆蓋接地層,特別是模擬層和數字層。該問題將導致從一個層(可能是數字地)到另一個層的容性耦合。要記住,電容是由兩個導體(兩個接地層)組成的,中間用絕緣體(PC板材料)隔離。

        具有低數字電流的混合信號IC的接地和去耦



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