提供稳定的电压参考

图8.1举例说明了发生在单端逻辑系统中的电压参考问题。逻辑门电路A产生输出电压V1，沿线路B传播到门电路C的输入，门电路C必须判决输入逻辑电平是1还是0。为了完成这个功能，门电路C使用一个差分放大器，把输入电压与它的内部参考电压R相比较。我们通常认为门电路的输入不包含差分放大器，但是实际上是有的。这个差分放大器的拓扑结构引出了电压参考的问题。

内部的参考电压通常连接到电源输入端的结点上。无论选择哪一个电源端，都会出现基本相同的问题。对于这个例子，我们假设参考电压对地是一个固定的偏置，将噪声源N的影响包括在内，差分放大器的输入电压是：

任何在门电路A和门电路C的地之间引起的一个电压差噪声，都会直接在差分放大器上出现，如同叠加在输入信号上的电压一样。噪声电压N减小了门电路C的噪声裕量。

是什么因素导致门电路的地之间的噪声电压呢？最常见的因素就是返回信号电流。每当门电路A发送信号给门电路C时，流出的信号电流沿着电源分配线返回门电路A。当返回信号电流流过地线的电感时，引起像N这样的噪声电压。不仅门电路A和门电路C，任何两个门电路之间的返回电流都会产生地噪声，对门电路C的接收产生干扰。图8.2举例说明了共路噪声产生的原理。这样的噪声电压称为共路噪声电压。

共路噪声电压是返回信号电流和地阻抗的乘积。为了确保低的共路噪声，我们必须降低门电路之间的地边接阻抗。这项原则成为第一条电源系统设计准则：

电源设计准则1 在门电路之间采用低阻抗的地连接。

有非常低的可以避免共路噪声问题的电感结构呢？实用的例子是，一个完整的地平面可以为返回信号电流提供非常低的电感。

共路噪声与第5章中描述的互感耦合有关。两个结果都涉及返回信号电流环之间的感性耦合。共路噪声与把噪声归因于一个特定电路元件或走线集总电感不同。在第5章的讨论中，涉及的条件是返回电流互相邻但彼此分开，通过重叠磁场互相影响。

单独降低地电感解决不了共路噪声的问题。图8.3举例说明了这一点：即使每个门电路使用一个理想的地连接，电源线中的返回信号电流所引起问题。记住，门电路在HI状态的输出电压取决于它的电源端电压。电源线中的返回信号电流所引起的电源电压的任何改变，都直接影响了输出电压。任何两个门电路电源引脚之间的阻抗应该与引脚之间的阻抗一样低。这是第二条电源系统设计准则：

电源设计准则2 任何两个门电路的电源引脚之间的阻抗应该与地引脚之间的阻抗一样低。

注意，在图8.3中，返回信号电流流过电源的供电电池。显然，为了维持稳定的传输信号电平，与地和电源的连接阻抗一样，电池的阻抗必须非常低。在图8.3中，电源和地之间的惟一路径经过电池。这一个实际的电源系统设计中，由其他元件提供这条低阻抗路径。但是，在电源和地之间必须有一些低阻抗路径，然后才算完成了设计。这是第三条电源系统设计准则。

电源设计准则3 在电源和地之间必须有一条低阻抗路径。

任何满足这三条设计准则的电源系统，都将会有低的共路噪声，并且以统一的电压分配电源。提供稳定的参考电压，低的共路噪声，条点保持统一的电源分配电压，这些特性是密不可分的。技术方法改进了一个特性，同样也会改进其他特性。

图8.4中的电源系统满足所有这三条准则。该系统首先通过提供一个单独的地平面传送所有的返回电流，然后在每个门电路的电源和地之间增加旁路电容。电源的布线可以是任意的。让我们用三条电源设计准则来检查这个配置：

1、在门电路的地之间有一个地平面连接。

2、在电源端之间，串联了一个电容阻抗，然后到地平面，然后是第二个电容。

3、在每个门电路中，从电源到地都有一个旁路电容。从任何电源到任何地之间的点进行测量，都会得到低阻抗。

单平面方式的最大缺点是其旁路电容的阻抗可能不够低。可以参考有关于选择一个好的旁路电容方面的权衡的文献。

一种更好的方式（见图8.5）是电源和地分别采用铜平面，这样就保证了任何两个门电路的电源端或地端之间具有理想的特性。当平面彼此靠得非常近的时候，会共享许多耦合电容。这个电容在高频时阻抗非常低，允许高频电流很容易地平面之间来回流动。在低频时，每个门电路上分散的旁路电容形成电源和地的短接。

1、在地之间，有一个地平面连接。

2、在电源端之间，有一个电源平面连接。

3、在电源和地之间，有旁路电容和电源平面与地平面之间的固有电容。

在结束本文之前，花一些时间来检查图8.6。差分的传输结构为每条信号线提供了一条内置的返回电流路径。不仅如此，每个信号都传送它自己的参考电压！注意接收器中的差分放大器都不连接到电源端。差分输是处理门电路之间通信的极佳方法，不需要共享很好的电源和地连接。

差分传输把分配电源的问题和提供稳定参考电压的问题分开了。