接地和去耦

问一个简单而困难的电路问题：电路中的地线GND，它的本质是什么？在PCB Layout在布线过程中，工程师将面临不同的问题GND处理。为什么会这样？在电路原理设计阶段，工程师通常会引入不同的电路，以减少电路之间的相互干扰GND地线作为不同功能电路的0V形成不同的电流回路。

GND地线的分类

1模拟地线AGND

模拟地线AGND，主要用于模拟电路部分，如模拟传感器ADC采集电路、操作放大比例电路等。在这些模拟电路中，其他电路的大电流很容易受到影响，因为信号是模拟信号和微弱信号。如果不区分，大电流会在模拟电路中产生大压降，导致模拟信号失真，严重时可能导致模拟电路功能失效。

2数字地线DGND

数字地线DGND，显然是相对模拟地线AGND主要用于数字电路部分，如按键检测电路，USB通信电路、单片机电路等。建立数字地线的原因DGND，因为数字电路有一个共同的特点，都是离散的开光信号，只区分数字0和数字1，如下图所示。

在从数字0电压跳转到数字1电压或从数字1电压跳转到数字0电压的过程中，电压发生了变化。根据麦克斯韦电磁理论，变化电流周围会产生磁场，对其他电路形成磁场EMC辐射。没办法，为了降低电路的EMC一个单独的数字地线必须用于辐射影响DGND，有效隔离其他电路。

3功率地线PGND

模拟地线AGND数字地线DGND它们都是小功率电路。在大功率电路中，如电机驱动电路、电磁阀驱动电路等，也有单独的参考地线，称为功率地线PGND。顾名思义，大功率电路是电流较大的电路。显然，大电流容易引起不同功能电路之间的地面偏移，如下图所示。

一旦电路中有地偏移，原来的5V电压可能不是5V它变成了4V。因为5V电压是参考GND地线0V就地偏移而言，如果地偏移GND地线由0V抬升到了1V，那么之前的5V（5V-0V=5V）电压现在变成了4V（5V-1V=4V）了。

4电源地线GND

模拟地线AGND，和数字地线DGND还有功率地线PGND，都被归类为直流地线GND。这些不同类型的地线最终作为整个电路聚集在一起V参考地线，这个地线叫做电源地线GND。电源是所有电路的能源。所有电路工作所需的电压电流都来自电源。因此，电源地线GND，是所有电路的0V电压参考点。这就是为什么其他类型的地线，无论是模拟地线AGND，数字地线DGND还是功率地线PGND，最后，需要与电源地线相匹配GND聚在一起。

5交流地线CGND

交流地线CGND，一般存在于含有交流电源的电路项目中，如AC-DC交流直流电源电路。AC-DC电源电路分为两部分。电路的前级是AC在交流部分，电路的后级是DC直流部分被迫形成两条地线，一条是交流地线，另一条是直流地线。交流地线作为交流电路的0部分V直流地线作为直流电路零的参考点V参考点。通常在电路中统一地线GND，工程师将通过耦合电容或电感将交流地线与直流地线连接起来。

6大地地线EGND

人体安全电压为36V以下，超过36V如果在人体上施加电压，会对人体造成损害，这是工程师设计电路项目方案的安全常识。为了提高电路的安全系数，工程师通常在高压大电流项目中使用地线EGND，例如，在家用电器电风扇、冰箱、电视等电路中。有地线EGND如下图所示。

为什么家用电器的插座是三个接线端子？220V交流电只需要火线和零线，那为什么插座是三个接线端子呢？插座的三个端子用于220V火线和零线，另一个终端是起保护作用的地线EGND。芯片哥需要强调的是地线EGND，它只与我们的地球相连，起到高压保护作用，不参与工程电路功能，与电路功能无关。所以地线EGND，其它类型的地线GND有明显的电路含义差异。

细究GND的原理

工程师可能会问，一条地线GND怎么会有这么多区别，简单的电路问题怎么会这么复杂？ 为什么要引入这么多细分？GND地线功能呢？工程师通常针对这类GND地线设计问题简单统一命名GND，原理图设计过程中没有区别，导致原理图设计过程中没有区别PCB很难有效识别不同电路的功能GND地线，所有的地线，直接和简单GND地线连接在一起。尽管操作简单，但这将导致一系列问题：

1信号串扰

假设不同功能的地线GND大功率电路通过地线直接连接在一起GND，0会影响小功率电路V参考点GND，这导致了不同电路信号之间的串扰。

2信号精度

模拟电路，它的考核核心指标就是信号的精度。模拟电路失去了精度，失去了原有的功能意义。交流电源地线CGND由于是正弦波，是周期性的上下波动变化，其电压也是上下波动，不像直流地线GND一直保持在一个0V上不变。不同电路的地线GND交流地线连接在一起，周期性变化CGND地线将驱动模拟电路AGND变化会影响模拟信号的电压精度值。

3EMC实验

信号越弱，外部电磁辐射越弱EMC信号越强，外部电磁辐射越弱；EMC也就越强。如果不同电路的地线是不同的GND连接在一起，信号强电路的地线GND，信号弱电路的地线直接干扰GND。其后果是原始信号弱的电磁辐射EMC，它也成为外部电磁辐射强的信号源，增加了电路处理EMC实验难度。

4电路可靠性

在电路系统之间，信号连接的部分越少，电路独立运行的能力就越强；信号连接的部分越多，电路独立运行的能力就越弱。试想，如果两个电路系统A和电路系统B，没有交集，电路系统A的功能显然不会影响电路系统B的正常工作，电路系统B的功能也不会影响电路系统A的正常工作。这就像一对陌生的男人和女人。在成为恋人之前，女孩的情绪变化不会影响男孩的情绪，因为交集。如果在电路系统中连接不同功能的电路地线，相当于增加了电路之间干扰的联系，即降低了电路运行的可靠性。通常，大学里没有专门的教学PCB如果您知道接地和去耦的基本知识，请务必在评论区告诉我们！掌握这方面的知识很可能来自实验室的经验，或分享同行和前辈。一般来说，由于时间限制，大多数电气工程课程不会涉及这些重要的实际问题。大多数电气工程专业毕业生都是在工作中学习这些技能，因而只要您对电路设计过程（从原理图到布局直至PCB对最终生产所涉及的关键问题稍有了解，就会有胜人一筹的优势。

关于接地

完美接地vs.不完美接地

图1a显示信号源与负载分开一段距离，接地G1和G2通过回路连接。理想情况下，G1和G2之间的接地阻抗为0，因此接地电路电流不会在G1和G两者之间产生差分电压。

图1a. 电路中的任何一点，电流算术和0，或者流出的都会流回如果G1和G2之间的阻抗为0，则G1和G两者之间无差分电压。不幸的是，在接地电流的作用下，不可能保持回流路径的零阻抗。G1和G2之间产生误差电压ΔV。G1和G2之间的连接不仅有电阻，还有电感，忽略了杂散电容的影响。但在本文的去耦部分，您将了解电源层和接地层之间的电容器是如何帮助高频去耦的。

图1b. 接地阻抗中流动的信号和/或外部电流产生误差电压ΔV。

G1和G2之间的流动电流可以是由信号电流或其他电路引起的外部电流。您可以看到图2试验板中的总线阻抗是如何具有阻力元件和感知元件的。接地总线阻抗是否会影响电路的运行，不仅取决于电路的直流精度要求，还取决于电路中数字开关元件产生的信号频率和频率重量。

图2. 无焊接试验板的电路

如果最大信号频率为1 MHz，电路只需要几毫安(mA)电流，接地总线阻抗可能不是问题。然而，如果信号为100 MHz，电路驱动需要100 mA阻抗很可能成为负载的问题。在大多数情况下，因为"母线(buss wire)"在大多数逻辑转换等效频率下都有阻抗，不可接受将其用作数字接地回路。例如，#22标准导线约有20根 nH/英寸电感和 mΩ/英寸的电阻。由逻辑信号转换产生的压摆率为10 mA/ns的瞬态电流，在此频率下流经1英寸的该导线，将形成200 mV的无用压降：

对于具有2 V峰峰值范围的信号，此压降会转化为约10%的误差（大约3.5位精度）。即使在全数字电路中，该误差也会大幅降低逻辑噪声裕量。对于低频信号，该1 mΩ/英寸电阻也会产生一个误差。例如，100 mA电流流过1英寸的#22标准导线时，产生的压降约为：

一个2 V峰峰值范围的信号数字化到16位精度时，其1 LSB = 2 V/216= 30.5 μV。因此，导线电阻引起的100 μV误差约等于16位精度水平的3.3 LSB误差。图3显示了模拟接地回路中流动的高噪声数字电流如何在输入模拟电路的电压VIN中产生误差。将模拟电路地和数字电路地连接在同一点（如下方的正确电路图所示），可以在某种程度上缓解上述问题。

图3.模拟电路和数字电路使用单点接地可降低高噪声数字电路引起的误差效应。

 接地层在当今系统中必不可少

在无焊试验板中，甚至在图2所示的采用总线结构的电路板中，能够用来降低接地阻抗的手段并不多。无焊试验板在工业系统设计中是非常罕见的。实接地层是提供低阻抗回流路径的工业标准方法。生产用印刷电路板一般有一层或多层专门用于接地。这种方法相当适合最终生产，但在原型系统中较难实现。图4.显示了一个包含模拟电路、数字电路以及一个混合信号器件（模数转换器或数模转换器等）并针对PCB的典型接地安排。

图4. 针对混合信号系统PCB的良好接地解决方案。

模拟电路和数字电路在物理上相隔离，分别位于各自的接地层上。混合信号器件横跨两个接地层，系统单点或星形接地是两个接地层的连接点。

 关于去耦

了解基于电源抑制参数的去耦需求

放大器和转换器等模拟集成电路具有至少两个或两个以上电源引脚。对于单电源器件，其中一个引脚通常连接到地。诸如ADC和DAC等混合信号器件可以具有模拟和数字电源电压以及I/O电压。像FPGA这样的数字IC还可以具有多个电源电压，例如内核电压、存储器电压和I/O电压。不管电源引脚的数量如何，IC数据手册都详细说明了每路电源的的允许范围，包括推荐工作范围和最大绝对值，而且为了保持正常工作和防止损坏，必须遵守这些限制。然而，由于噪声或电源纹波导致的电源电压的微小变化—即便仍在推荐的工作范围内—也会导致器件性能下降。例如在放大器中，微小的电源变化会产生输入和输出电压的微小变化，如图5所示。

图5.放大器的电源抑制显示输出电压对电源轨变化的灵敏度。

放大器对电源电压变化的灵敏度通常用电源抑制比（PSRR）来量化，其定义为电源电压变化与输出电压变化的比值。图5显示了典型高性能放大器（OP1177）的PSR随频率以大约6dB/8倍频程（20dB/10倍频程）下降的情况。图中显示了采用正负电源两种情况下的曲线图。尽管PSRR在直流下是120dB，但较高频率下会迅速降低，此时电源线路上有越来越多的无用能量会直接耦合至输出。如果放大器正在驱动负载，并且在电源轨上存在无用阻抗，则负载电流会调制电源轨，从而增加交流信号中的噪声和失真。尽管数据手册中可能没有给出实际的PSRR，数据转换器和其他混合信号IC的性能也会随着电源上的噪声而降低。电源噪声也会以多种方式影响数字电路，包括降低逻辑电平噪声容限，由于时钟抖动而产生时序错误。

 适当的局部去耦在PCB上是必不可少的

典型的4层PCB通常设计为接地层、电源层、顶部信号层和底部信号层。表面贴装IC的接地引脚通过引脚上的过孔直接连接到接地层，从而较大限度地减少接地连接中的无用阻抗。电源轨通常位于电源层，并且路由到IC的各种电源引脚。显示电源和接地连接的简单IC模型如图6所示。

图6. 显示走线阻抗和局部去耦电容的IC模型。

IC内产生的电流表示为IT。流过走线阻抗Z的电流产生电源电压VS的变化。如上所述，根据IC的PSR，这会产生各种类型的性能降低。通过使用尽可能短的连接，将适当类型的局部去耦电容直接连接到电源引脚和接地层之间，可以较大限度地降低对功率噪声和纹波的灵敏度。去耦电容用作瞬态电流的电荷库，并将其直接分流到地，从而在IC上保持恒定的电源电压。虽然回路电流路径通过接地层，但由于接地层阻抗较低，回路电流一般不会产生明显的误差电压。图7显示了高频去耦电容必须尽可能靠近芯片的情况。否则，连接走线的电感将对去耦的有效性产生不利影响。

图7. 高频去耦电容的正确和错误放置。

图7左侧，电源引脚和接地连接都可能短，所以是有效的配置。然而在图7右侧中，PCB走线内的额外电感和电阻将造成去耦方案的有效性降低，且增加封闭环路可能造成干扰问题。

 选择正确类型的去耦电容

低频噪声去耦通常需要用电解电容（典型值为1μF至100μF），以此作为低频瞬态电流的电荷库。将低电感表面贴装陶瓷电容（典型值为0.01μF至0.1μF）直接连接到IC电源引脚，可较大程度地抑制高频电源噪声。所有去耦电容必须直接连接到低电感接地层才有效。此连接需要短走线或过孔，以便将额外串联电感降至低点。大多数IC数据手册在应用部分说明了推荐的电源去耦电路，用户应始终遵循这些建议，以确保器件正常工作。铁氧体磁珠（以镍、锌、锰的氧化物或其他化合物制造的绝缘陶瓷）也可用于在电源滤波器中去耦。铁氧体在低频下（<100kHz）为感性—因此对低通LC去耦滤波器有用。100kHz以上，铁氧体成阻性（低Q）。铁氧体阻抗与材料、工作频率范围、直流偏置电流、匝数、尺寸、形状和温度成函数关系。铁氧体磁珠并非始终必要，但可以增强高频噪声隔离和去耦，通常较为有利。这里可能需要验证磁珠永远不会饱和，特别是在运算放大器驱动高输出电流时。当铁氧体饱和时，它就会变为非线性，失去滤波特性。请注意，某些铁氧体甚至可能在完全饱和前就是非线性。因此，如果需要功率级，以低失真输出工作，当原型在此饱和区域附近工作时，应检查其中的铁氧体。典型铁氧体磁珠阻抗如图8所示。

图8. 铁氧体磁珠的阻抗。

在为去耦应用选择合适的类型时，需要仔细考虑由于寄生电阻和 电感产生的非理想电容性能。

实际电容及其寄生效应

图9所示为实际电容的模型。电阻RP代表绝缘电阻或泄漏，与标称电容(C)并联。第二个电阻RS（等效串联电阻或ESR）与电容串联，代表电容引脚和电容板的电阻。

图9.实际电容等效电路包括寄生元件。

电感L（等效串联电感或ESL）代表引脚和电容板的电感。最后，电阻RDA和电容CDA一起构成称为电介质吸收(DA)现象的简化模型。在采样保持放大器(SHA)之类精密应用中使用电容时，DA可造成误差。但在去耦应用中，电容的DA不重要，予以忽略。图10显示了不同类型的100 μF电容的频率响应。理论上，理想电容的阻抗随着频率提高而单调降低。实际操作中，ESR使阻抗曲线变得平坦。随着频率不断升高，阻抗由于电容的ESL而开始上升。"膝部"的位置和宽度将随着电容结构、电介质和电容值而变化。因此，在去耦应用中，常常可以看到较大值电容与较小值电容并联。较小值电容通常具有较低ESL，在较高频率时仍然像一个电容。电容并联组合覆盖的频率范围比组合中任何一个电容的频率范围都要宽。

图10. 各种100μF电容的阻抗

电容自谐振频率就是电容电抗(1/ωC)等于ESL电抗(ωESL)时的频率。对这一谐振频率等式求解得到下式：

所有电容的阻抗曲线都与图示的大致形状类似。虽然实际曲线图有所不同，但大致形状相同。最小阻抗由ESR决定，高频区域由ESL决定，而后者在很大程度上受封装样式影响。

 去耦电容类型

电解电容系列具有宽值范围、高电容体积比和广泛的工作电压，是极佳的高性价比低频滤波器元件。该系列包括通用铝电解开关类型，提供10 V以下直至约500 V的工作电压，大小为1 μF至数千μF不等（以及成比例的外形尺寸）。所有电解电容均有极性，因此无法耐受约1 V以上的反向偏置电压而不造成损坏。此类元件具有相对较高的漏电流（可能为数十μA），具体漏电流在很大程度上取决于特定系列的设计、电气尺寸、额定电压及施加电压。不过，漏电流不可能是基本去耦应用的主要因素。大多数去耦应用不建议使用通用铝电解电容。不过，铝电解电容有一个子集是"开关型"，其设计并规定用于在最高达数百kHz的频率下处理高脉冲电流，且损耗很低。此类电容在高频滤波应用中可直接媲美固态钽电容，且具有更广泛的可用值。固态钽电解电容一般限于50 V或更低的电压，电容为500 μF或更低。给定大小时，钽电容比铝开关电解电容呈现出更高的电容体积比，且具有更高的频率范围和更低的ESR。钽电容一般也比铝电解电容更昂贵，对于浪涌和纹波电流，必须谨慎处理应用。使用有机或聚合物电解质的高性能铝电解电容也已问世。这些电容系列拥有略低于其他电解类型的ESR和更高的频率范围，另外低温ESR下降也较小。此类元件使用铝聚合物、特殊聚合物、POSCAP™和OS-CON™等标签。陶瓷或多层陶瓷(MLCC)具有尺寸紧凑和低损耗特性，通常是数MHz以上的优选电容材料。不过，陶瓷电介质特性相差很大。对于电源去耦应用，一些类型优于其他类型。采用X7R的高K电介质配方时，陶瓷电介质电容的值最高可达数μF。Z5U和Y5V型的额定电压最高可达200 V。X7R型在直流偏置电压下的电容变化小于Z5U和Y5V型，因此是较佳选择。NP0（也称为COG）型使用介电常数较低的配方，具有标称零TC和低电压系数（不同于较不稳定的高K型）。NP0型的可用值限于0.1 μF或更低，0.01 μF是更实用的上限值。多层陶瓷(MLCC)表面贴装电容的极低电感设计可提供近乎较优的RF旁路，因此越来越频繁地用于10 MHz或更高频率下的旁路和滤波。更小的陶瓷芯片电容工作频率范围可达1 GHz。对于高频应用中的这些及其他电容，通过选择自谐振频率高于最高目标频率的电容，可确保有用值符合需要。薄膜型电容一般使用绕线，增加了电感，因此不适合电源去耦应用。此类型更常用于音频应用，此时需要极低电容和电压系数。最后，务必选择击穿电压至少为电源电压两倍的电容，否则当电路上电时，可能会发生意外。

不良去耦技术对性能的影响

图11显示了1.5 GHz高速电流反馈运算放大器AD8000的脉冲响应。两幅示波器图均是利用评估板获得。左侧曲线显示正确去耦的响应，右侧曲线显示同一电路板上去除去耦电容后的响应。两种情况中，输出负载均为100 Ω。

图11. 去耦对AD8000运算放大器性能的影响

示波器图说明，没有去耦时，输出表现出不良响铃振荡，这主要是因为电源电压随负载电流变化而偏移。现在考察正确及错误去耦对14位、105 MSPS/125 MSPS高性能数据转换器ADC AD9445 的影响。虽然转换器通常无PSRR规格，但正确去耦仍非常重要。图12显示正确设计电路的FFT输出。这种情况下，我们使用AD9445的评估板——注意频谱很干净。

图12. 正确去耦时AD9445评估板的FFT图

AD9445的引脚排列如图12所示。请注意，电源和接地引脚有多个。这是为了降低电源阻抗（并联引脚）。

图13. AD9445引脚排列图

模拟电源引脚有33个。18个引脚连接到AVDD1（电压为3.3 V ± 5%），15个引脚连接到AVDD2（电压为5 V ± 5%）。DVDD（电压为5 V ± 5%）引脚有4个。在本实验所用的评估板上，每个引脚有0.1 μF陶瓷去耦电容。此外，沿电源走线还有数个10 μF电解电容。图14显示了从模拟电源去除去耦电容后的频谱。请注意，高频杂散信号增加了，还出现了一些交调产物（低频成分）。信号SNR已显著降低。本图与上图的差异是去除了去耦电容。

图14. 从模拟电源去除去耦电容后AD9445评估板的FFT图

图15显示从数字电源去除去耦电容的结果。注意杂散同样增加了。另外应注意杂散的频率分布。这些杂散不仅出现在高频下，而且跨越整个频谱。本实验使用转换器的LVDS版本进行。可以想象，CMOS版本会更糟糕，因为LVDS的噪声低于饱和CMOS逻辑。

图15. 从数字电源去除去耦电容后AD9445评估板的SNR图

这些实验表明，除去大多数或所有去耦电容会导致性能降低，但要分析或预测除去一两个去耦电容的影响是很困难的。当拿不定主意时，优质策略是放上电容。虽然成本略有增加，但消除了性能降低的风险，这样做通常是值得的。