通過(guò)一次關(guān)于基本知識(shí)的對(duì)話，讓我們深入考察那沒(méi)有什么魅力但是極其關(guān)鍵的旁路電容和去耦電容。
編輯引言：旁路電容是關(guān)注度低、沒(méi)有什么魅力的元器件，一般來(lái)說(shuō)，在許多專題特寫(xiě)中不把它作為主題，但是，它對(duì)于成功、可靠和無(wú)差錯(cuò)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。
來(lái)自Intersil公司的作者David Ritter和Tamara Schmitz參加了關(guān)于該主題的進(jìn)一步對(duì)話。本文是對(duì)話的第二部分。Dave和Tamara信仰辯論的價(jià)值、教育的價(jià)值以及謙虛地深入討論核心問(wèn)題的價(jià)值；簡(jiǎn)而言之，為了獲取知識(shí)而展開(kāi)對(duì)一個(gè)問(wèn)題的討論。下面請(qǐng)“聆聽(tīng)”并學(xué)習(xí)。
Tamara: 我們上次關(guān)于旁路電容的對(duì)話很好，但是，我認(rèn)為這個(gè)話題沒(méi)有結(jié)束。我們假設(shè)電容的低邊有一塊完美的接地層可用。然而，在一半的情況下，這并不是有效的假設(shè)。
David: 我聽(tīng)您說(shuō)，博士。那天一位同事向我展示了他的最新的板子。“我用的是四層板，完整的接地層，”他真誠(chéng)地說(shuō)，“沒(méi)有問(wèn)題呀。”我沒(méi)有把握他說(shuō)的是否正確。
Tamara: 是的，接地層大有幫助，如果你使用正確的話。
David: 正如我們所說(shuō)的，旁路電容應(yīng)該盡可能近地放在電源的旁邊。我們假設(shè)讀者知道把電容的另一邊連接至良好的接地層。
Tamara: 可是，讓我們確切一點(diǎn)說(shuō)。你說(shuō)的“良好的接地”或“良好的接地層”是什么意思？
David: 啊，接地應(yīng)該是0V。
Tamara: 然而，它真是真正的零伏嗎？
David: 不，當(dāng)然不是。總是存在一些阻抗，總是存在一些引起電壓降的電流。
Tamara: 因此，在一點(diǎn)的地電壓永遠(yuǎn)不會(huì)跟另一點(diǎn)一樣。
David: 有時(shí)候，當(dāng)我們研究隔離問(wèn)題時(shí)，我們可以假設(shè)局部接地層的電壓是相對(duì)一致的。另一方面，有些應(yīng)用處于高頻環(huán)境中，例如，接近發(fā)射器或微波爐。這些設(shè)備有大量的信號(hào)耦合進(jìn)它們的接地層之中。
Tamara: 那么，我們?nèi)绾螛?gòu)建一塊“良好的接地層”呢？我們的讀者應(yīng)該僅僅采用接地層嗎？
David: 有時(shí)候答案是肯定的。
Tamara: 然而，在接地層上時(shí)常存在足夠大的電流，從而引起從一點(diǎn)至另一點(diǎn)之間出現(xiàn)巨大的電壓降。
David: 因此，問(wèn)題在于，你如何在一個(gè)系統(tǒng)中把每一個(gè)電路接地以最優(yōu)化性能？
Tamara: 那取決于電路的類型。
David: 是的，你可能在一個(gè)系統(tǒng)中要采用多種接地方案。
Tamara: 當(dāng)然，所有的地最終都要接在同一個(gè)地方。
David: 是的，然而，我們要把每一塊接地層直接連接至一個(gè)地方嗎？
Tamara: 我們可以這么做，而那被稱為星型接地(這是一種非常流行的接地方式，如果使用正確，是一種成功的接地方式)。
David: 對(duì)于小的電路我們已經(jīng)采用了那種技術(shù)，但是，對(duì)于較大的電路我們還需要研究。
Tamara: 當(dāng)你設(shè)計(jì)大面積的電路時(shí)，問(wèn)題更為嚴(yán)峻。你不能讓一個(gè)有用的旁路電容距離元件0.5英寸開(kāi)外連接。總的引線電感將讓電容的性能退化。
David: 我喜歡把接地看成是一種局部現(xiàn)象。跟隨通過(guò)圍繞一顆芯片(例如)的小的局部環(huán)路的電源和輸入電流，并保持那個(gè)環(huán)路盡可能小和緊湊。來(lái)自局部電路的各個(gè)接地層然后連接至較大的接地系統(tǒng)，這一接地系統(tǒng)要根據(jù)較大等級(jí)的電流進(jìn)行設(shè)計(jì)。
Tamara: 你可以舉一個(gè)例子嗎？
David: 當(dāng)然，(例1)我們正在構(gòu)建一個(gè)兩輸入的視頻示波器(稱為“波形監(jiān)視器”)。如圖1所示為前端的簡(jiǎn)化電路圖。
圖1：兩通道可選前端電路圖。
Tamara: 那是幾個(gè)饋入2:1復(fù)用器的視頻放大器，在輸出端上有一個(gè)緩沖放大器，對(duì)嗎？
David: 非常正確。我們?cè)O(shè)計(jì)了一塊像這樣的板子(圖2)。
圖2：兩通道可選前端的布局。
David: 這是一塊四層電路板，盡管有兩層用得很少(淺藍(lán)和深藍(lán))。紅色是頂層，最后一層是接地層。
Tamara: 設(shè)計(jì)和布局看起來(lái)非常簡(jiǎn)單和干凈。
David: 然而，在各個(gè)輸入之間存在太多的耦合。(即使當(dāng)輸入B被關(guān)閉時(shí)，它示出輸入A的衰減版)。
Tamara: 在輸入B上的信號(hào)有多大？
David: 在我們的視頻應(yīng)用中，任何大于-90dB的信號(hào)均是不可接受的。我們要測(cè)量的信號(hào)大約為-55dB。
Tamara: 我要更仔細(xì)地看看引起耦合的邊緣電流(圖3)。
圖3：顯示邊緣電流的前端布局。
Tamara: 我明白。正是來(lái)自輸入A的邊緣電流在輸入B中引起一個(gè)信號(hào)。
David: 那正是我們所猜測(cè)的。當(dāng)邊緣路徑重疊時(shí)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)存在串?dāng)_。為了驗(yàn)證這一理論，我們?cè)陔娐钒迳锨辛藥椎叮鐖D4所示(綠色線是切割線)。
圖4：具有割裂接地層(綠色)的兩個(gè)通道的可選前端布局。
David: 太令人驚訝了！耦合消失了—它實(shí)際上低于噪聲的電平。
Tamara: 那么，為什么那樣做管用呢？
David: 沿著電流的走向，總是存在一條環(huán)路，在接地層內(nèi)部總是存在邊緣電流以及因那些電流而產(chǎn)生的電壓降。切割防止電流的混合，因此，它們不再能夠從輸入A直接耦合至輸入B(或反之亦然)。
Tamara: 那么，這就是一個(gè)接地層布線錯(cuò)誤的例子。具有切割線的接地層實(shí)際上表現(xiàn)更好。
David: 是的，大多數(shù)人認(rèn)為，提供一條至地(像一接地層)的低阻抗連接就足夠了。有時(shí)候，那的確正確，但是，另一方面它可能是錯(cuò)誤的。如果你的確需要高度隔離，你就需要圍繞整個(gè)環(huán)路跟隨并控制電流。
Tamara: (例2)如果你確實(shí)有一塊單芯片，那么，采用一塊接地層就是好點(diǎn)子。讓我們采用你已經(jīng)示出的版圖中的輸入放大器的地。圖5示出了我是如何把0.1 μF的旁路電容跨接在接地層上的。
圖5：具有通孔到接地層的運(yùn)算放大器的版圖。
David: 連接至地的通孔給旁路電容增加了一個(gè)串聯(lián)電感，正如布線一樣。芯片的地連接(如果它有一條的話，這個(gè)運(yùn)放卻沒(méi)有)通常有一個(gè)通孔把它連接到地，因此，環(huán)路具有兩倍的通孔電感。
Tamara: 在左邊的兩個(gè)電阻(輸入端和增益電阻)也連接到地。通過(guò)這四條連接可以給這個(gè)芯片提供非常好的局部接地。
David: 我們常常通過(guò)在芯片底部增加一條布線(仍然在頂層)來(lái)改善這種情況。這為從電源到地的回路提供一條直接和緊湊的環(huán)路。在這種情形下，在芯片下面沒(méi)有空間把左邊一對(duì)接地通孔與右邊一對(duì)接地通孔連接在一起，因此，我通過(guò)在第一層增加焊盤來(lái)進(jìn)一步降低接地層的阻抗，如圖6所示。
圖6：具有連接到接地層和頂層焊盤的運(yùn)算放大器的版圖。
Tamara: 布線的厚度怎么樣？厚的布線給出低阻抗的連接。看來(lái)你會(huì)把所有的電源和接地布線做的盡可能寬。你曾經(jīng)想過(guò)采用細(xì)的布線嗎？
David: 當(dāng)然，我們努力保持圍繞本地環(huán)路的阻抗非常小，但是，我們實(shí)際上想要回到電源的阻抗更高。細(xì)的布線實(shí)際上增加了一些跟主電源線的去耦，有助于把芯片與系統(tǒng)的其它部分隔離。
Tamara: 請(qǐng)?jiān)趫D2中指給我看看。
David: 高頻路徑就圍繞著芯片。淡藍(lán)色的布線就是厚的、低阻抗的電源線。更細(xì)的布線把每一個(gè)芯片與那些電源線連接。高頻信號(hào)將維持在本地，而不會(huì)傳輸回電源。
Tamara: 你經(jīng)常采用鐵氧體磁珠把高頻干擾與電源的其它部分去耦嗎？
David: 當(dāng)然了，如果你有板子空間并且預(yù)算允許裝一個(gè)的話。否則，采用更細(xì)的布線就是粗糙但有效的替代方案。
Tamara: 在我們結(jié)束采訪前，我提最后一個(gè)問(wèn)題。人們問(wèn)我：你相信多點(diǎn)或星型接地嗎？那就像是一個(gè)宗教問(wèn)題。他們問(wèn)你同樣的問(wèn)題嗎？
David: 時(shí)常會(huì)遇到這樣的提問(wèn)。然而，我不知道如何回答這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槲野迅鞣N技術(shù)綜合起來(lái)運(yùn)用。你需要利用你的所有獨(dú)創(chuàng)性來(lái)設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)。那并不是信仰問(wèn)題。
Tamara: 我贊成你的見(jiàn)解。正如我能在這里所討論的，那是就是要跟著電流走！
(未完待續(xù))