电子产品世界

我刚工作的时候，几乎不涉及电源的设计。当时主要做的工作是“模数混合电路”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。

电源和地的分离：

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，这样可以防止数字地上的噪声干扰模拟部分。

去耦电容：

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，虽然我们使用了线性电源，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，我们需要整个电源平面的所有的噪声。对于电源的噪声来源：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，虽然可以选择足够“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”。

最有效的控制数字干扰模拟的措施：单点接地

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，从而减少地回路干扰的一种方法。这种技术能够有效抑制数字电路对模拟电路的干扰，主要原因有以下几个方面：

1. 减少地回路噪声

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，从而降低了干扰。

2. 隔离高频干扰

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。

3. 控制电流路径

通过单点接地，可以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。

4. 简化地平面设计

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。

5. 减少交叉耦合

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，可以减少高频开关信号对模拟信号的影响。

实践中的应用

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进行。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可以通过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，我们还需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设计过程中如何解决和优化电源网络和GND网络有了概念。

以开关电源电路为例：

1、Phase平面

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。

我们要分清楚什么是“脏信号”，要学会如何保护微弱信号。

关键词： 电源设计 模数混合电路