沒有經驗的設計人員可能會認為電源去耦電容器和接地是神奇的神秘事物，可以吸收所有不良噪聲。他們不是。本應用筆記討論了正確的電容選擇。它解釋了電容器無法將功率總線解耦到其自諧振點以上的原因。為了說明電容器在接地層上的力和特性，使用了電子的類比。電子行為被滑稽地說明。通過開槽平面來證明將電流引導到地平面中的地面星點。

介紹

無論多么令人驚訝，一些工程師真的認為“地面”是一種神奇的神秘事物，它像黑洞一樣吸收了所有壞東西。我們希望是這樣。設計電路要簡單得多。

幾年前，一位客戶遇到了系統噪音問題。與經驗豐富的模擬設計工程師一起查看印刷電路板，我們發現缺少功率去耦電容器。地面的孔比瑞士奶酪多。模擬工程師說：“我是這么想的。數字家伙又來了。在這種情況下，數字工程師非常出色，但他只是沒有學到模擬技術。數字設計人員未能理解阻抗、傳輸線、駐波、電源去耦等模擬概念，以及為什么地分為模擬和數字區域。現在我們不想“抨擊數字”，如果沒有數字，我們將錯過很多很多很酷的產品。不幸的是，一些工程教育工作者過于強調數字技術，以至于模擬技能沒有得到很好的發展。

本應用筆記討論了正確的電容選擇以及該決定如何影響接地良好的設計。通過開槽平面來證明將電流引導到地平面中的地面星點。討論首先強調為什么這是必要的，以及數字和模擬電路如何共享對噪聲的敏感性。

為什么數字是模擬的

設計人員期望模擬信號容易受到噪聲的影響。圖1中的較低波形是信號增加噪聲的直接結果，顯然是一件壞事。然而，數字被認為受到閾值的保護。正如我們將看到的，這種想法是錯誤的。

圖1.輸入信號、噪聲和兩者加在一起。

圖2數字部分的閾值意味著頂部波形實際上是模擬的。這怎么可能？高于頂部閾值的區域是我們稱信號為“一”的區域，低于底部閾值的區域是我們稱為“零”的區域。我們怎么稱呼閾值之間的被破壞區域？這是模擬的。所以頂部波形存在噪聲。因為噪音低于閾值，數字思維說一切都很好。底部波形沒有超過閾值，所以它必須正常！

圖2.頂部波形是輸入和噪聲。底部波形添加了噪聲。

現在是時候看看為什么這是數字錯誤思維了。

圖3重復了圖1和圖2的部分內容，但增加了垂直線來說明模擬噪聲如何改變輸出時序。顯然，不僅僅是錯過幅度（向上和向下）閾值是必要的。仔細觀察過渡，我們發現負過渡“A”與其預期位置相比很早。正過渡“B”非常接近，所以我們畫了一條線。負轉換“C”是早期的，正轉換“D”是晚期的。噪聲已從幅度誤差轉換為時間抖動位置誤差。如果在箭頭處對信號進行采樣，則將保留信息。但是，如果信號頻率較高，則時間誤差將以百分比表示較大。最終，采樣點將受到損害。

圖3.信號加噪聲以及由此產生的時間誤差。

這些插圖說明了為什么我們說數字是模擬的。也就是說，模擬和數字都需要注意保持信號純度。在這一點上，我們可以考慮保護我們想要的信號的技術。

為應用選擇電容器

一種誤解是，電容器會吸收電源線的不良噪聲，使其消失在地中。不對。另一個概念是電容器生而相等。他們不是。較差的電容器無濟于事，即使是高質量的電容器也對頻率敏感。所有電容器都具有不可避免的串聯電阻和電感。

AVX? 和 Kemet? 是電容器公司，指定寄生元件并提供免費的 Spice 工具。這兩個網站上的應用筆記也非常有用。這些 Spice 工具使我們能夠繪制電容器的實際性能圖。例如，一個0.1μF電容在許多電路中用作去耦。阻抗與頻率有關，如表1所示。

Spice程序允許我們評估和更改幾個參數以了解電路的功能。電容器類型可以是陶瓷或電解電容器。尺寸和工作電壓也是變量。

在敏感電路中，我們可能會看到許多去耦元件。串聯電感器、電阻器和鐵氧體磁珠將與多個電容器一起形成低通濾波器。選擇電容器是為了衰減特定的頻率范圍。在一個電路上看到四個去耦電容并不罕見。大型電解用作大容量電流存儲或低頻抑制;兩個陶瓷電容器用于減少 10MHz 至 100MHz 范圍內的干擾。最后，使用皮法拉范圍內的小電容器來限制較高的無線電頻率。

表1顯示了為什么需要上述四個電容器。在這里，單個0.1μF陶瓷電容器不能有效地降低干擾噪聲和低于33kHz或高于15MHz的雜散元件。低于33kHz的電源線和開關電源紋波不會充分衰減。電解值越大越好。0 到 1 兆赫茲之間的噪聲通過 15.8μF 電容器正確分流至地。觀察到，在0.1MHz時，<>.<>μF電容變為自諧振。這意味著與電容器串聯的不可避免的寄生電感占主導地位。高于該頻率，電容器看起來像電感器，這種噪聲和垃圾無法通過電容器接地。

接地層的重要性

到目前為止，我們已經談到接地，就好像它是所有東西的低阻抗接收器，并且干擾信號是單個頻率。兩者都不是真的。請記住，開關電源和數字邏輯電路的快速邊沿會產生必須抑制的高頻諧波。地面也有問題;它很少接近完美。

設想沒有互補電源層或總線的單獨接地是不正確的。電流必須繞一個完整的圓才能完成電路。但是，在本說明中，為了簡單起見，我們將僅考慮接地層，而忽略電源層。

這聽起來很不尋常，甚至很有趣，但像電子一樣思考確實有助于討論。電子本質上是懶惰的。他們總是走最簡單的路。水也是一個有用的類比。當我們觀察洪水時，我們看到水在沒有受到某種限制的情況下散布在整個洪泛平原上。電流在電壓層或接地層中的行為方式相同。仔細觀察會發現左上角的“好人”（返回的信號電流）和右下角的“壞人”。一些電子知道它們的位置并堅持下去。有些人感到困惑，而另一些人可以被出價最高或最有說服力的人收買（或拉攏）。

這些電子可以自由地在地平面上移動。當它們向左下角的恒星點行進時，這些好的和壞的電子電流可以并且確實混合在一起。（是的，我們知道電子以相反的方式流動，但我們希望類比簡單，并與水流的概念相匹配。噪聲和干擾是將一種電流污染到另一種電流中。當嘈雜的數字電子流過模擬電路時，它們會將噪聲引入線性模擬電路，反之亦然。因此，很明顯，所有電路都會因電源和接地不良而降級。美信零件也不例外。

MAX5400/MAX5401數字電位器一側可連接電源總線或接地。電源或接地上的噪聲將直接添加到信號中。MAX6133等基準電壓源具有線路調節規范，指示輸入電壓變化量將反映在輸出電壓中。MAX5532–MAX5535系列12位DAC在20kHz時具有超過1dB的電源抑制比（PSRR）。這意味著電源總線上的噪聲將降低十倍以上。盡管如此，擁有一個能夠降低電源噪聲的器件并不是當地電源設計管理不佳的借口。好的設計需要好的功率。

人們現在可以問為什么安靜的模擬信號不會損害數字電路？哦，但它們確實會損壞數字信號，就像一個數字電路的噪聲會干擾其他數字電路一樣。正如我們所討論的，模擬和數字電路在這方面實際上是相同的。唯一的區別是數字中存在閾值。實際上，數字電路中的所有噪聲都是不好的。即使低于閾值，噪聲也會導致錯誤和抖動。在模擬中，每個噪聲都是不好的，因為沒有閾值可以隱藏在后面。

圖5b通過添加帶有電弧刷的有刷電機使問題復雜化。這些火花的幅度足夠大，盡管有閾值，但仍會導致數字電路出錯。

圍欄實際上是切入地平面的槽，此處顯示為圍欄下方的虛線。該插槽將接地層分成兩部分，只允許在星形接地點附近進行連接。現在電子被迫只留在柵欄的一側。

現在回到圖5b中的電弧、火花電機。

在有刷電機的情況下，電機產生的垃圾將盡可能靠近電機進行抑制。這就是為什么經常發現直接焊接在電機上的電容器以及設置為短路反電動勢（EMF）的二極管的原因。電動勢是由電機坍塌磁場產生的反向電壓尖峰。在有刷電機中，當電刷反彈和換向（切換）電機電流時發生。

在圖6a中，數字電路和模擬電路必須相互保護，并免受電弧和火花電機的影響。兩個圍欄僅在地面星點附近再次連接。

結論

地面星點能解決所有接地問題嗎？不，理由從來都不是完美的，每個電路板都是不同的。一個好的地星點是電路板設計的絕佳起點。然后像電子一樣體驗和思考可以提供洞察力，幫助聚集電子。經驗表明，最好從系統規劃開始，然后對其進行修改以滿足本地電路要求。安靜的場地、紀律嚴明的信號和快樂的電路不會隨便發生。它們是設計好的。

審核編輯：郭婷