作者：MOHAMMED TAWFIK ABDELHAFEZ

曾幾何時，您學(xué)習(xí)了電路理論，并學(xué)到了許多分析電路的技術(shù)。兩個著名且類似的技術(shù)是節(jié)點(diǎn)電壓分析和網(wǎng)格分析。在節(jié)點(diǎn)電壓分析中，首先選擇一個成為參考節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。假定該節(jié)點(diǎn)具有絕對零電勢，我們通常將其稱為“接地”節(jié)點(diǎn)。

只要您不關(guān)心電路與其他對象之間的電壓關(guān)系，就不會發(fā)現(xiàn)此假設(shè)有害。許多子電路之間共有的節(jié)點(diǎn)通常是數(shù)學(xué)上簡化電路分析的一個很好的選擇。

當(dāng)我們學(xué)習(xí)電子電路專業(yè)課程時，通常會忘記許多電路分析技術(shù)，例如疊加，戴維南等效項(xiàng)，諾頓等效項(xiàng)和網(wǎng)格分析。我們主要關(guān)注一種技術(shù)，即節(jié)點(diǎn)電壓分析（圖1）。

圖1節(jié)點(diǎn)電壓分析通常簡化了電子電路的分析。左側(cè)是節(jié)點(diǎn)電壓分析的示例，右側(cè)是同一電路的網(wǎng)格分析。

經(jīng)過多年作為學(xué)生和工程師的專注之后，您可能會忘記電路理論中的一些基本概念。這是致命的錯誤觀念滲入我們的思想的時候。

常見誤解
地面節(jié)點(diǎn)通常被認(rèn)為是所有電荷的物理墓地，但事實(shí)并非如此。地面節(jié)點(diǎn)僅僅是我們個人選擇的節(jié)點(diǎn)。除了通常與許多子電路通用外，它沒有什么其他的特殊之處。成為公共節(jié)點(diǎn)不會增加特殊的物理屬性。接地節(jié)點(diǎn)上唯一存儲的電荷是電容器的負(fù)極板電荷，電容器的一個端子接地。所有其他電荷在電路中循環(huán)，并且永不停止（圖2）。請記住，所有電流都在一個回路中流動，電荷返回其源極。

圖2電流電荷循環(huán)循環(huán)。接地節(jié)點(diǎn)上唯一存儲的電荷（–Q）是屬于接地電容器的電荷。

地面節(jié)點(diǎn)是避開噪音的避風(fēng)港。但是，大多數(shù)不同的噪聲電流都通過接地節(jié)點(diǎn)（圖3）。然而，僅對于設(shè)計(jì)良好的接地軌而言，軌的阻抗可忽略不計(jì)，從而使整個軌上的噪聲電勢差幾乎為零。

圖3不同的信號電流和不同的噪聲電流通過接地節(jié)點(diǎn)。至少在直流電路分析中，接地軌的低阻抗是保證軌中任何兩個物理點(diǎn)之間的電勢差可以忽略的唯一保證。

人們普遍認(rèn)為，將兩個相互影響的域的接地墊分開可以保護(hù)安靜的域免受嘈雜的域的影響。這可能是RF工程師可能在不知情的情況下犯下的最嚴(yán)重的罪行之一。接地焊盤的分離在許多情況下可能會導(dǎo)致從噪聲域輸出到安靜域輸入的嚴(yán)重噪聲耦合。您可能會發(fā)現(xiàn)這種反常理，但是當(dāng)使用鍵合線繪制完整的電路（直至PCB層）時，這一點(diǎn)變得很清楚，如圖4所示。當(dāng)所有MOS體連接器都連接到專用接地焊盤時，也會發(fā)生類似的動作。

圖4當(dāng)接地焊盤如左圖所示分開時，從一個域傳輸?shù)搅硪粋€域的信號可能會變得非常嘈雜。分析步驟以紫色圓圈標(biāo)記。另一方面，如右圖所示，合并域后，信號將安全傳輸。但是，如果靜音塊的PSRR較差，則可能會受到影響。

在具有功耗意識的數(shù)字設(shè)計(jì)中，浮動輸出不僅與斷開接地路徑相關(guān)，而且還與斷開電源路徑相關(guān)聯(lián)（圖5）。物理設(shè)計(jì)偏好通常傾向于切換接地路徑。這是因?yàn)樵谙嗤膶?dǎo)通電阻下，將使用面積小于PMOS器件的NMOS器件。

圖5當(dāng)電源或接地關(guān)閉時，不可避免的情況會導(dǎo)致輸出電壓不確定。不確定的輸出電壓取決于存儲在負(fù)載電容器上的最后一個工作輸出狀態(tài)，電源與地的截止電阻之間的比率以及不同結(jié)的泄漏電流。

接地軌和電源軌似乎與時序收斂無關(guān)。定時關(guān)閉與不同的信元延遲和不同的信號沿有關(guān)。當(dāng)接地軌具有相對較高的阻抗時，在電源軌和接地軌之間會產(chǎn)生相當(dāng)大的IR降，這會降低有效電源電壓，從而增加CMOS單元的延遲。此外，即使電源線上的平均IR降微不足道，開關(guān)噪聲電流也會在接地電源線上產(chǎn)生明顯的瞬態(tài)噪聲電壓。因此，如圖6所示，到達(dá)距信號源較遠(yuǎn)的門的信號沿可以有效地“移動”時間[1]。時移取決于瞬態(tài)噪聲的大小和極性。對于高上升/下降時間信號，這種影響變得更加明顯。

圖6按照紫色圓圈中的索引分析步驟，瞬態(tài)電源/接地電流曲線在接地點(diǎn)會產(chǎn)生相似的電壓曲線，這會影響信號沿的有效到達(dá)時間。大量增加本地去耦電容器以吸收交流電流曲線并降低電源/接地軌的阻抗可以緩解該問題。

分開還是不分開？
這是一個棘手的問題。需要詳細(xì)說明的一個重要項(xiàng)目是接地墊的分離。上一節(jié)可能給人的印象是，接地焊盤分離是一種不良的設(shè)計(jì)實(shí)踐，盡管在許多芯片中這可能是常見的實(shí)踐。通常，設(shè)計(jì)具有低電阻和低電感的單個統(tǒng)一接地連接要好于設(shè)計(jì)多個接地軌，而這些接地軌具有相互影響的相互作用域之間復(fù)雜的返回電流路徑以及載有高頻電流的大面積環(huán)路的磁耦合的麻煩。

但是，在特殊情況下，您不能避免接地墊分離。例如，假設(shè)您有一個晶體振蕩器和一個嘈雜的數(shù)字模塊，它們都共享一個接地焊盤，如圖7所示。數(shù)字模塊從電源汲取噪聲電流，該噪聲電流通過接地軌和接合線返回。因此，接地鍵合線上存在明顯的電壓毛刺。由于該鍵合線與晶體振蕩器的接地點(diǎn)共用，因此噪聲電壓毛刺將有效地添加到晶體振蕩器內(nèi)部節(jié)點(diǎn)處的晶體純正弦電壓。

圖7按照紫色圓圈中的索引進(jìn)行的分析步驟，帶噪塊會間接在接地線兩端生成噪聲電壓。由于晶體實(shí)際上是一個非常尖銳的帶通濾波器，因此在振蕩期間，其每個端子上都存在純正弦電壓。但是，晶體振蕩器的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)會感測到接地線兩端的純電壓和噪聲電壓的疊加。

在需要分離的情況下，請執(zhí)行以下操作：

盡可能在噪聲塊周圍放置多個去耦電容器（圖8）。這減少了有噪聲的電源電流在硅外部的傳遞，從而最小化了在塊狀導(dǎo)軌及其輸出上產(chǎn)生的噪聲電壓。

最小化噪聲塊與其他塊之間的電氣交互作用，或僅使傳遞的電流最小化。為此，請?jiān)谠肼曈蛑惺褂镁哂休^高輸出阻抗的驅(qū)動器，而在安靜域中使用具有高輸入阻抗緩沖器的驅(qū)動器。

圖8噪聲塊處的去耦電容器吸收了流經(jīng)電源和地的大部分AC電流曲線。從噪聲域到敏感域的傳輸電流最小化，可確保噪聲的傳輸最小化。

接地節(jié)點(diǎn)僅僅是定義的節(jié)點(diǎn)，僅有助于電路分析。所有電流均以環(huán)路傳播，并且不會在接地節(jié)點(diǎn)處停止。

要預(yù)見并解決與地面相關(guān)的問題，只需簡單地描繪出具有所有物理連接的完整電路，而無需定義接地節(jié)點(diǎn)。可視化不同的電流回路和公共路徑。

在做出統(tǒng)一或分離不同區(qū)域的接地墊的設(shè)計(jì)決定之前，請仔細(xì)研究預(yù)期的增益和潛在影響。

這是一個練習(xí)。圖9的左側(cè)顯示了一個具有有限漏極阻抗的簡單NMOS電流源。電源電壓源看到的低頻交流阻抗是多少？

圖9接地節(jié)點(diǎn)的定義是否會影響輸入阻抗值？

答案很簡單。現(xiàn)在，讓我們在電路上保持物理上相同，但是選擇NMOS漏極作為接地節(jié)點(diǎn)，而不是NMOS源極，如圖9的右側(cè)所示。阻抗會保持不變嗎？永遠(yuǎn)不要讓地面躲避您。

參考

Maxim Integrated Application Note＃4345，“接地良好，數(shù)字為模擬”

Mohammed Tawfik AbdelHafez是Si-Vision技術(shù)團(tuán)隊(duì)的高級首席工程師。

編輯：hfy