接地层 - 让接地不再棘手:高质量接地技术解决办法

接地层

　　接地层的使用与上文讨论的星型接地系统相关。为了实施接地层，双面PCB(或多层PCB的一层)的一面由连续铜制造，而且用作地。其理论基础是大量金属具有可能最低的电阻。由于使用大型扁平导体，它也具有可能最低的电感。因而，它提供了最佳导电性能，包括最大程度地降低导电平面之间的杂散接地差异电压。

　　请注意，接地层概念还可以延伸，包括 电压层。电压层提供类似于接地层的优势—极低阻抗的导体—但只用于一个(或多个)系统电源电压。因此，系统可能具有多个电压层以及接地层。

　　虽然接地层可以解决很多地阻抗问题，但它们并非灵丹妙药。即使是一片连续的铜箔，也会有残留电阻和电感;在特定情况下，这些就足以妨碍电路正常工作。设计人员应该注意不要在接地层注入很高电流，因为这样可能产生压降，从而干扰敏感电路。

　　保持低阻抗大面积接地层对目前所有模拟电路都很重要。接地层不仅用作去耦高频电流(源于快速数字逻辑)的低阻抗返回路径，还能将EMI/RFI辐射降至最低。由于接地层的屏蔽作用，电路受外部EMI/RFI的影响也会降低。

　　接地层还允许使用传输线路技术(微带线或带状线)传输高速数字或模拟信号，此类技术需要可控阻抗。

　　由于“总线(bus wire)”在大多数逻辑转换等效频率下具有阻抗，将其用作“地”完全不能接受。例如，#22标准导线具有约20 nH/in的电感。由逻辑信号产生的压摆率为10 mA/ns的瞬态电流，流经1英寸该导线时将形成200 mV的无用压降：

　　

(1)

 

　　对于具有2 V峰峰值范围的信号，此压降会转化为大约200 mV或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。

　　图2显示数字返回电流调制模拟返回电流的情况(顶图)。接地返回导线电感和电阻由模拟和数字电路共享，这会造成相互影响，最终产生误差。一个可能的解决方案是让数字返回电流路径直接流向GND REF，如底图所示。这显示了“星型”或单点接地系统的基本概念。在包含多个高频返回路径的系统中很难实现真正的单点接地。因为各返回电流导线的物理长度将引入寄生电阻和电感，所以获得低阻抗高频接地就很困难。实际操作中，电流回路必须由大面积接地层组成，以便获取高频电流下的低阻抗。如果无低阻抗接地层，则几乎不可能避免上述共享阻抗，特别是在高频下。

　　所有集成电路接地引脚应直接焊接到低阻抗接地层，从而将串联电感和电阻降至最低。对于高速器件，不推荐使用传统IC插槽。即使是“小尺寸”插槽，额外电感和电容也可能引入无用的共享路径，从而破坏器件性能。如果插槽必须配合DIP封装使用，例如在制作原型时，个别“引脚插槽”或“笼式插座”是可以接受的。以上引脚插槽提供封盖和无封盖两种版本。由于使用弹簧加载金触点，确保了IC引脚具有良好的电气和机械连接。不过，反复插拔可能降低其性能。

　　

 

　　图2. 流入模拟返回路径的数字电流产生误差电压。

　　应使用低电感、表面贴装陶瓷电容，将电源引脚直接去耦至接地层。如果必须使用通孔式陶瓷电容，则它们的引脚长度应该小于1 mm。陶瓷电容应尽量靠近IC电源引脚。噪声过滤还可能需要铁氧体磁珠。

　　这样的话，可以说“地”越多越好吗?接地层能解决许多地阻抗问题，但并不能全部解决。即使是一片连续的铜箔，也会有残留电阻和电感;在特定情况下，这些就足以妨碍电路正常工作。图3说明了这个问题，并给出了解决方法。

　　

 

　　图3. 割裂接地层可以改变电流流向，从而提高精度。

　　由于实际机械设计的原因，电源输入连接器在电路板的一端，而需要靠近散热器的电源输出部分则在另一端。电路板具有100 mm宽的接地层，还有电流为15 A的功率放大器。如果接地层厚0.038 mm，15 A的电流流过时会产生68 μV/mm的压降。对于任何共用该PCB且以地为参考的精密模拟电路，这种压降都会引起严重问题。可以割裂接地层，让大电流不流入精密电路区域，而迫使它环绕割裂位置流动。这样可以防止接地问题(在这种情况下确实存在)，不过该电流流过的接地层部分中电压梯度会提高。

　　在多个接地层系统中，请务必避免覆盖接地层，特别是模拟层和数字层。该问题将导致从一个层(可能是数字地)到另一个层的容性耦合。要记住，电容是由两个导体(两个接地层)组成的，中间用绝缘体(PC板材料)隔离。