电子系统对电源和接地清洁度及完整性的需求

电子系统错误通常是模拟的，而不是数字的。模拟容易出现信噪比、串扰和线性问题。本应用笔记讨论了对电源和接地清洁度及完整性的需求。模拟接口可能是许多设计的陷阱，因此示例展示了如何使用现有IC来克服常见的模拟问题。

介绍

洗手似乎是简单的常识。人们常说，由于人为错误，许多可预防的疾病仍然存在 - 未能洗手并定期采取合理的安全预防措施。

现在你问，电子IC设计洗手有什么意义？很多时候，电子系统故障被归咎于零件，而真正的原因是人为错误。在这些人为错误中，最常见的是对数字世界中模拟的理解不足。很多时候，才华横溢的数字设计师从未学习过模拟技术，因为工程学校正在减少模拟教学的数量。然而，Maxim是一家模拟混合信号公司。在本应用笔记中，我们分享了一些模拟概念，这些概念将有助于克服常见的“人为”误差并改善系统周围的模拟电路。

安全第一

为了测试某事而失去生命并不是一件好事。因此，如果您没有高压故障排除经验，请找一位有这种经验的老师。永远，永远，永远不要从交流设备上移除安全接地（电源线上的第三个插脚）。更简洁地重申，永远不要打败安全装置——它可能会让你付出生命的代价。

隔离变压器的问题

我们将审查一些删除或破坏安全功能的替代方案。首先考虑隔离变压器。隔离安全接地似乎是将电路噪声降至最低的好主意。但是，有更好的选择。例如，可以使用隔离变压器来隔离电源线。请记住始终用欧姆表检查隔离变压器的绝缘，并检查输入和输出绕组之间的电阻。这些简单的步骤可能会挽救您的生命。更昂贵的隔离变压器集成了法拉第屏蔽，这是一种静电屏蔽，有助于减少变压器之间的噪声传递。变压器必须足够大，以承载您需要隔离的所有电源，至少是被测器件（DUT）、电源、示波器和频谱分析仪。

示波器可用作放大器或阻抗转换器，从高阻抗探头到低阻抗输出。许多示波器都有一个垂直输出，可以插入频谱分析仪。如果需要更高的输入阻抗，可以添加有源供电的FET示波器探头。

隔离变压器的替代方案是不间断电源 （UPS）。确保UPS具有干净的电源输出。廉价的UPS具有方波或修正正弦波输出。这些输出的上升时间会在测试设置中引入噪声。您需要在 UPS 上使用电池，而无需将其插入墙上插座。因此，UPS必须足够强大，以便为您的所有测试设备供电。验证 UPS 是否适合您的设计的最简单方法是从墙上插座正常为示波器供电。在探头短路的情况下，增加增益并注意频谱分析仪上的噪声和本底噪声。现在连接到您的UPS，看看噪音是否恶化。如果噪声过高，可能需要具有真正正弦波输出的更昂贵的UPS。

现在我们已经观察到“安全第一”，我们可以继续测试了。

保护电源和接地

现在，我们将介绍一些想法，通过更改外部电路来帮助节省系统和片上系统 （SOC） 设计。我们将列出想法并参考其他来源以获取详细信息。

我们将扩展这些概念。串扰和信噪比表示为比率，即好与坏的比例。如何改善信号的信噪比？如果有一个特定的电路贡献了相当大的噪声，我们可以做两件事：首先，以某种方式降低噪声，或者其次，在良好信号通过阶段之前增加其幅度。（我们将讨论应用笔记4993中的第二个选项，“减少人为错误的机会：第2部分，模拟接口的超级放大器和滤波器”。图 1 说明了该概念。

图1.电源噪声或接地被添加到信号中。

我们应该回顾一些基本的内务管理项目。进入的信号电平和带宽是多少，当它退出此阶段时需要什么？噪声的幅度和带宽是多少（希望它的来源是什么）？是开关电源的谐波吗？

我们首先关注电源噪声。我们可以对插入电阻和电感的噪声进行低通滤波，并将电源和电容器串联到地。我们可以在频率上走多远（低）？我们真的只想要来自电源的纯直流电。我们可以使用无限大的电感器和电容器。然而，这是不切实际的，因为充电时间常数也是无限长的。或者，我们可以打开设备并在它开始之前变老。实际上，电感器和电容器的尺寸和成本才是真正的极限。因此，我们想知道噪声的频率特性。如果由于电源切换而达到50kHz或更高，并且我们想要的信号是1kHz，则滤波可能是可行的。

如果我们接下来要进入ADC，抗混叠滤波器可能会有所帮助。（有关该主题的进一步讨论，请参见应用笔记4993。

当地地面

我们应该停止将“地面”视为吞噬一切的绝对黑洞。应用笔记4292“地面在哪里？”帮助我们认识到地面是相对的。宇宙飞船上的电路有一个我们称之为地面的本地参考。该电路运行良好，即使宇宙飞船的潜力与地球不同。英式英语单词“earth”在北美通常被翻译为“安全地面”。宇宙飞船电路并不关心这种语义差异，因为该电路只识别本地接地和电源电压之间的差异。

解耦和均质化

现在尝试可视化功率去耦电容器在宇宙飞船电路中的作用。电容器（在高频下）使电源电压上的噪声与本地接地上的噪声相匹配。它使噪音“均匀化”。均质化是微小颗粒混合，如牛奶。均质迫使牛奶在高压下通过小孔。这会将乳脂颗粒分解成非常小的尺寸，具有更大的表面积，并且更耐分离和结块。

在电气类比中，高频噪声通过电容器双向传播：从电源电压到地，以及从地到电源电压。因为我们武断地称接地为参考，所以接地似乎总是“干净”的噪声。为了测量这一点，我们实际上是在测量功率和地面之间的差异，就像宇宙飞船上的电路一样，这让我们感到高兴。如果我们只测量与另一个参考进行比较，那么我们可能会对噪声不满意。

两个免费的SPICE自共振程序的链接可在校准，修剪和调整中找到。请注意，电容器从来都不是纯电容器，而是具有串联电感和电阻等功能。在自谐振点以上，电容器的作用类似于电感器，但是，去耦作用在自谐振点以上继续有效一段时间。电源路径中的导线、走线和过孔中的串联电阻与电感阻抗（欧姆的一小部分刚好高于自谐振）一起充当分压器，直到电感的等效串联电阻上升。

查看线性稳压器和基准电压源的电源抑制比（PSRR），请参见其各自的数据手册。然后测量电源（通常是开关电源）的噪声及其带宽。对于原型，隔离噪声源并确定入侵方法。我们已经看到辐射到电路板走线中的噪声充当无线电天线，或者从电源变压器延伸出来的磁场进入电感器。来自外部电路和电源的噪声也会污染电源的电源和接地。12V汽车电池和线性稳压器构成了一个相对安静且廉价的工具，用于比较低压电路中的噪声水平。

应用笔记883提出了几种滤除电源以消除噪声的方法。第一种方法使用一个或多个外部RC滤波器级联。图2显示了带有二阶级联低通滤波器的频谱软件微型电容电路仿真器及其频率响应。

图 2.二阶RC滤波器的频率响应。

应用笔记883关于滤除功率以消除噪声的第二个建议是LC滤波器。这种方法建议使用具有相等输入和输出端接电阻的滤波器。这种设计会导致较大的功率损耗来抑制滤波器。进行不等式端接的数学运算超出了该应用笔记的范围。图3使用自由滤波器设计程序产生所需的不等端接。

图 3.允许不相等端接电阻的滤波器设计程序。

该程序可以轻松实现实用的过滤器。RC和LC滤波器可以在Micro-Cap程序中级联和仿真。

应用笔记883的第三个建议是级联两个线性稳压器。第二个稳压器可以是轻负载的极低噪声基准电压源。

示波器探头接地

即使是 3 英寸的接地夹也可能是一个问题。如果在测量之间必须将接地夹更改为另一个接地点，则结果可能不同。因此，首先去实验室抽屉里寻找示波器探头附带的小塑料袋。袋子里有看起来很奇怪的金属片，用于在取下绝缘盖后放置在探头上的短接地连接。

这是我们在Maxim使用的一个技巧。通过将缝纫针压入一块木头的末端来制作工具（图4）。

图4.一种将接地插入示波器探头的简单工具。

取下接地引线和鳄鱼夹。取下塑料探头尖端盖。然后，大多数探头将露出接地套管。使接地尽可能靠近电路。如果难以获得信号板，可以使用第二个解剖针来扩展示波器探头尖端。

考虑一个例子。观察去耦电容，看看它的效果如何。理想情况下，电容器应该看起来像短路，并且在电容器的频率范围内应该有很小的噪声。前面我们提到了去耦电容器和两个SPICE程序，可以帮助我们可视化它们的有效性。图 5 是 Kemet® 程序的屏幕截图。此处，0.1μF电容的自谐振频率约为15MHz;超过15MHZ时，它们是电感器，不再用作去耦电容。

图 5.0.1μF电容器上的阻抗和等效串联电阻。

裕量是一种测试电子零件的技术。一些工程师将其与页面上文本周围的空间进行比较;纸张上的边距意味着文本将位于页面上，即使文本到纸张的对齐方式存在容差也是如此。保证金技术已经存在了很长时间，但最近在计算机领域越来越受欢迎。一些工程师发现，增加电源电压可以使某些电路运行得更快，也就是说，如果它们不会过热和失效。制造商已经开始将他们的电路板分箱或分类为速度组，以高价出售更快的电路板。随着事情的发展，制造商还了解到，通过改变电源电压，可以评估电路板的可靠性。在边际附近运行不佳的电路板表明容忍度增强，这提供了更多的失败机会。因此，裕量调节已成为一种常见的最终测试程序，即在稍高和稍低的功率电压下重复测试。

电源

电源始终至关重要。了解开关电源和可用设计的范围将很有帮助。

高噪声开关电源

开关电源因噪音大而声名狼藉。有些批评是应得的，有些则不是。很多时候，经验丰富的工程师手中的同一IC电源不会有问题。许多经理错误地将电源降级给新工程师，因为它们“易于”设计。 “只需像数据手册中所说的那样连接IC，”它应该可以工作。我们见过设计的噩梦，但是当经验丰富的设计师将组件旋转八分之一英寸时，强烈的噪音突然被修复，从而增加了地面痕迹。更多时候，消除噪声需要进一步的工作，但解决方案完全植根于对芯片周围流动的电流，尤其是接地中的电流。

开关电源、音频和无线电的特殊挑战

很多时候，查看极其困难的示例来理解这些概念是有帮助的。开关电源、音频和收音机就是这样困难的例子。由于高电流和快速开关上升和下降时间，电源存在问题。音频存在信噪比问题，因为人类的听觉具有宽动态范围。无线电必须从噪声中提取信号，很多时候无线部分的损耗都在100dB以上。

星形接地和返回电流控制

现在我们回到应用笔记4345：“接地气，数字即模拟”。这篇文章提供了一些喜剧性的缓解，以演示简单但有效的星形接地和返回电流控制。

结论

如果我们有一个千篇一律的方法来解决每一个噪音问题，工程师们肯定会很高兴。但工程设计并不是那么容易。即使是经验丰富的模拟设计人员也会计划至少三个PCB布局，甚至在进入试生产运行之前调整布局。我们希望这些技术将有助于指导思考如何在设计过程中解决电源和接地问题。

审核编辑：郭婷

审核编辑：郭婷