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电源是怎样炼成的(1)干净的电源也会脏

  ”的设计,因为模拟部分是音频小信号,而且是微弱信号,所以电源供电一律采用模拟电源供电,为的是电源本身比较“干净”,这样模拟信号器件的GND和电源相对都比较“干净”。

  当时面临的挑战是:电源本身已经很干净了,但是由于是“模数混合电路”,所以依然需要将数字电路产生的干扰抑制在数字区,不要干扰模拟信号。

  独立的电源轨:为模拟和数字部分提供独立的电源,减少电源噪声的传递。数字电路和模拟电路分别供电,不要共用电源,信号条理部分电源单独产生,并且用线性电源。

  分离地平面:在电路板上,模拟地和数字地尽量分离,只在单一点上连接,这样做才能够防止数字地上的噪声干扰模拟部分。

  在数字电路部分的电源上放置去耦电容,尤其是靠近每个芯片的引脚,以滤除电源上的高频噪声。数模混合电路更要注意,虽然个人会使用了线性电源,电源本身没有纹波对模拟信号进行干扰。但是数字信号的跳变,会产生电源完整性的问题。

  最终我们要求在用电器件的接收端接收到良好质量的电源,我们应该整个电源平面的所有的噪声。对电源的噪声来源:稳压芯片输出的电压不是恒定的,会有一定的纹波;稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化。稳压电源响应的频率一般在200kHz以内,能做正确的响应,超过了这个频率则在电源的输出短引脚处出现电压跌落;负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗产生压降;外部的干扰。

  此处提到“负载瞬态电流”,这样的一个问题不是由电源输出端的电源模块或者电源芯片所产生,而是由用电负载自身的负载变化所产生,这个负载变化又是由于大量数字信号在“跳变”所产生。集成电路是由无数的逻辑门电路组成,基本的输出单元我们大家可以看成是CMOS反相器,如图所示。

  当控制信号是一个低电平的时候,上面PMOS打开,此时输出是高电平。打开的瞬间,VCC通过LVCC和R,对芯片B的输入管脚进行充电。当控制信号是一个高电平的时候,下面的NMOS打开,此时输出的是低电平。打开的瞬间,芯片B的输入管脚储存的电量经过NMOS进行放电。在CMOS反相器输出状态发生明显的变化的时候,流过的电流正是变化的电流。于是,在走线、过孔、平面层和封装(键合引线、引脚)等这些具有电感的连接部件上,便会感应出电压。例如标准的GND地电位应该是0V,但是芯片与地之间的链接部件存在电感,就会感应出电压VGND,那么芯片上的“地”电位就被抬高了,高于0V。如图13.2所示,当CMOS输出信号同时从低电平到高电平切换时,VCC上会观测到一个负电压的噪声,同时也会影响到GND,并有可能引起一个振荡。当输出信号从高电平到低电平切换时,GND上会观测到一个正电压的噪声,同时也会影响到VCC,并有可能引起一个振荡。

  综上所述,虽能选择足够“干净”的电源,但是由于数字电路部分工作的时候,众多的“跳变”会导致产生新的波动在电源网络和GND网络上,导致原本“干净”的数字电源和数字GND变“脏”。

  单点接地(Single-Point Grounding)是通过在一个共同点将模拟地和数字地连接起来,由此减少地回路干扰的一种方法。这种技术可以有明显效果地抑制数字电路对模拟电路的干扰,根本原因有以下几个方面:

  当模拟地和数字地在多个点连接时,会形成地回路,这些回路可能会引入噪声。由于数字电路的高频开关活动,地回路中可能会产生高频噪声,这些噪声会耦合到模拟电路中,影响其性能。单点接地通过限制地回路的数量,减少了这些高频噪声的路径,以此来降低了干扰。

  数字电路通常会产生高频噪声,单点接地将数字地和模拟地分开,只有在一个共同点连接。这使得高频噪声主要存在于数字地平面上,不会轻易传递到模拟地平面,从而有效隔离了高频干扰。

  通过单点接地,能更好地控制电流路径,确保数字电流和模拟电流在不同的地平面上流动,减少了数字电流在模拟地平面上产生的电压降和噪声。

  单点接地简化了电路板的地平面设计,使得模拟和数字部分的地平面可以独立优化,从而进一步减少干扰。例如,可以在数字地平面上设置更多的去耦电容,而在模拟地平面上设置更多的滤波电容。

  单点接地有助于减少模拟和数字信号之间的交叉耦合。通过在物理上分离模拟和数字地平面,并在适当的位置连接,能够大大减少高频开关信号对模拟信号的影响。

  在实际设计中,单点接地通常会在电源入口、连接器处或者系统的中央位置做。这一点必须选在对模拟和数字信号影响最小的位置,通常在电源输入附近。确保模拟和数字部分的地尽可能独立运行,只有在需要时才通过单点连接起来。

  通过这些措施,单点接地可以显著减少数字信号对模拟信号的干扰,提高模数混合电路的整体性能和稳定性。

  电源和GND能够最终靠分开接的方式来解决,但是模拟信号最终是需要传递给ADC的,我们还要设计一些电路隔离模拟信号和数字信号。

  这个阶段虽然我在学习过程中没有具体参与电源的设计,但是对电源的干扰与控制干扰有了认知,对模数混合电路的干扰源和设计要点有了理解,同时在PCB设计过程中怎么样才能解决和优化电源网络和GND网络有了概念。

  Phase平面,即电感与电源IC链接的平面,是最脏的信号(大电流、高电压跳变、强干扰);满足通流的情况下面积尽可能的小,减小其对外界的干扰和辐射。

  2、环路补偿等小信号环路补偿等小电流信号,电路的环路尽可能的小,通过减小面积,减小外部干扰的磁通量,减小受干扰的程度,保证信号的稳定性和信噪比。

  总结:强干扰信号(Phase平面)好比厕所、小信号电路(环路补偿)比作厨房。

  我们在PCB设计的时候,原则就是要保护好厨房,防止厕所干扰过来;电源设计如此,其他的电路设计也是如此。

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