消除直流電阻耦合雜訊：信號和電源完整性教程
消除直流電阻耦合雜訊：信號和電源完整性教程
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| 圖8.測量的電壓雜訊在受害者 走線上，在另一側的接地層間隙處，顯示沒有電阻耦合串擾，量 級為10 uV， 為本底雜訊的測量值。 |
以下內容摘自 Eric Bogatin教授在《信號完整性雜誌》2023 年電子書《分裂地面的案例》中的文章。經《信號完整性雜誌》許可轉載。
本節繼續討論電感耦合雜訊和電阻耦合雜訊。
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當我們在返回平面上切割間隙時，不會有直流電流流過間隙。
間隙上會有磁場耦合，這就是為什麼我們仍然看到攻擊者和受害者之間跨越間隙的顯著互感耦合。間隙對這種雜訊的影響很小。
但是，我們預計接地層間隙另一側的受害者走線上不會有電阻耦合雜訊。
在圖8中，電阻耦合雜訊的測量尺度和平均值與受害線上的雜訊相同，沒有間隙。該測量的本底雜訊約為10 uV。達到這一水準，沒有可測量的電阻耦合雜訊，顯著降低。
仍然存在電感耦合開關雜訊，其持續到方波的上升時間，約為9 nsec。
這種雜訊在100 usec/div的時基下幾乎看不見。它是方波邊緣的初始尖峰。
正是這種少量的電阻耦合串擾，接地層的間隙可以防止。它防止從信號路徑擴散的直流電流在接地層中流動，從而在其他信號的返回路徑中產生直流失調雜訊。
通常，該雜訊量約為100 uV，相當於100 mA流過1 mohm的耦合電阻。在具有5 V基準電壓源和15位解析度（加號）的ADC中，1位的電壓電平約為5 V/32，000 = 150 uV。直流耦合接地層電壓雜訊可能貢獻約1個最低有效位（LSB）電平。在某些情況下，100 mA接地電流的波動可能剛好達到16位ADC的靈敏度水準。這在24位ADC中會很明顯。
降低這種雜訊的一種解決方案是使用返回層中的隔離間隙（與信號導體平行）隔離高電流路徑或敏感信號路徑，確保沒有信號穿過該隔離間隙。這是通過返回平面中的間隙解決的問題。
如果有100 A的直流電流流過，則接地層雜訊可能為100 mV或更高，但隨後可能會採用其他設計考慮因素，例如更厚的銅、更多的接地層以及VRM靠近負載的位置。
雖然返回層中的間隙可以顯著降低模擬信號上的電阻耦合雜訊，其中100 uV量級的電壓雜訊很重要，但有一種更有效的方法可以降低敏感信號上的這種常見雜訊，這種方法也是魯棒的，不會有無意中信號穿過隔離間隙的風險。
差分信號還消除了阻性耦合直流串擾
大多數對100 uV低頻雜訊敏感的應用都涉及測量來自感測器或麥克風的低電平信號。測量這些電壓源時，一個重要的設計準則是使用差分測量。
如果感測器本身產生差分信號甚至單端信號，則需要將感測器的高端和低端的單獨走線路由回差分接收器，例如儀錶放大器。即使感測器是單端的，感測器低端的接地連接也只能連接在感測器或差分接收器的輸入端的一個點上，而不是兩端。
感測器高側和低側之間的電壓差被帶回差分接收器的輸入端，而不使用接地層，接地層可能具有常見的直流壓降耦合雜訊。
這種單獨的專用低跡線不會有返回平面的直流電流在其中行進。
這個原理在一個簡單的實驗中得到了說明。
使用電壓敏感溫度感測器TMP36作為感測器。在室溫下，它產生約730 mV的直流電壓。它是一個單端信號。
該感測器的輸出由差分放大器和16位 ADC 使用 ADS1115 測量。
它以兩種配置進行測量，低端使用公共接地路徑連接到ADC，另一條單獨的返回線將感測器的低端連接到ADC的低端輸入。
在進行這些測量時，1 Hz的電流通過公共返回路徑。
增加了公共電阻以加劇耦合雜訊。當100 mA的接地電流通過接地路徑發送時，從感測器到ADC的接地路徑中會產生約2 mV的雜訊電平。當返回路徑用於連接低端基準電壓源時，該電壓雜訊與低電平感測器電壓串聯出現。
當低邊基準電壓源採用單獨的隔離走線時，返回路徑中的直流雜訊對差分信號沒有影響。此結果如圖 9 所示。
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| 圖9.該電路使用接地作為低端基準或差分輸入的單獨走線，為測得的類比電壓設置。右邊的測量值顯示了信號結束信號上的接地雜訊，但對差分測量沒有影響。 |
從感測器到差分接收器的差分信號路徑在其路徑中沒有接地層的壓降。
測量信號在其信號中沒有顯示任何直流電阻串擾。這是路由敏感模擬信號的方法，因此它們對來自低電平信號的非常輕微的電阻串擾不敏感。
結論
接地層分離解決的問題是減少返回電流的非常小的低頻電阻串擾。這通常出現在低於 10 kHz 的頻率下，相當於一個普通的共用電阻，大約是幾平方片電阻，大約 1 莫姆。
如果您的應用具有非常低電平的類比信號，這些信號必須跨電路板佈線，並且可能對這些低電平低頻雜訊源敏感，則更好的解決方案是使用差分信號路由和差分接收器。
在接地層中添加分路以解決這個非常小的問題的風險是更高頻寬信號無意中越過此間隙的可能性。這可能會導致病理問題，很容易導致電路板以多種方式失效。
除了最簡單的電路板外，在回報路徑中包含缺口的風險遠遠超過潛在收益。仔細考慮在接地層中添加分路並降低風險的工程原理，請考慮替代解決方案。
