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详解射频“地”

2024-02-19 芯片设计之路 阅读:
初中物理就学过,电压又称电势差,即任意两个电势/电位的差值,一般认为无穷远处的电势为0,通常说的“电压”隐含条件就是相对于0电势的差值,但这个“无穷远处的0电势”太含糊了,实际电路分析的时候不可能去探

初中物理就学过,电压又称电势差,即任意两个电势/电位的差值,一般认为无穷远处的电势为0,通常说的“电压”隐含条件就是相对于0电势的差值,但这个“无穷远处的0电势”太含糊了,实际电路分析的时候不可能去探测到它。好在电压跟绝对电势无关,它只是一个差值,因此我们可以任意选择电路中某一个电位作为参考基准点,人为规定它是0电势点,则这个基准点就称为“地”(Ground)。QZ6ednc

人为定义好“地”以后,电路中任一点的电压就有了参考。说“电阻一端的电压是5V”,实际上是说“电阻某一端对地的电压是5V”,但如果说“电阻两端的电压是5V”,已经明确了是以电阻的某一端作为参考,并不以“地”为参考。QZ6ednc

根据应用场合不同,又人为将“地”细分为“电源地”、“数字地”、“模拟地”、“射频地”,有很多文章和理论分析介绍应该如何处理电路中不同的“地”。本文仅浅谈一下自己对“射频地”的一些认识。QZ6ednc

模拟电路基础中讲晶体管放大器,做直流工作点分析时,电源电压取给定值;QZ6ednc

但在画交流等效电路分析小信号特性时,却将电源等价于地来处理。这是为什么呢?QZ6ednc

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模电老师告诉你,因为任意信号可以分解为一个直流量和交流量的叠加,即“叠加定理”,因此电路分析时,可以分别分析其直流和交流特性,从而简化电路分析难度。而对于电路中的电源需要作“除源”处理,即直流分析时,就只保留直流电源;交流分析时,只保留交流电源。而电路分析基础中又讲过“诺顿等效”和“戴维南等效”定理,理想电压源内阻为0,理想电流源内阻无穷大。因此不论是直流电源还是交流电源,理想电压源都用短路等效,理想电流源都用开路等效。而对于有内阻的非理想电压源,将电源短路但保留内阻;对内阻有限的非理想电流源,将电源开路但保留内阻QZ6ednc

总结起来一句话就是电压源短路处理,电流源开路处理,但从都到尾都没说跟“地”有什么关系啊?没错,的确“除源”不一定就是接地!问题在于,通常的电路中都是用电压源供电的,例如上图中的VCC标记,虽然没有明确用电压源表示,但指定的是固定电压供电,故应该理解为电压源。而这个电压源的电压是相对于“地”来定义的,直观上来看,电源正端接VCC,负端接地,电压源在交流分析时作短路处理,因此在这种情况下就退化为“电源等效为接地”了。QZ6ednc

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来看这样一个例子,一个幅度为0.5V的正弦电压源和一个1V的直流电压源分别驱动同一个电阻的两端:QZ6ednc

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上图中标注了各节点的直流电压和直流电流,可见A点直流电压为0,等效为接地,直流电流为1A,只跟直流电源和电阻值有关。再来看下图的时域波形,电阻总电流的直流成分为1A,交流成分为0.5A的正弦波。QZ6ednc

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正是因为所有信号都是对地来定义的,参考“地”不理想,就等于是引入了噪声或干扰,因此单端信号更容易受“地”影响;差分传输就是为了削弱“地”的影响,从而支持比单端方式速率/频率高得多的信号。但注意,差分仍然只是从理论上去除了地的影响,现实中的电路,总会存在一个“地”,即便是差分形式的,总还是存在共模干扰,而且共模干扰还会向差模转换。所以“地”的处理是电路设计中非常重要的一环,越是工作频率高、传输速率快的电路越是如此QZ6ednc

实际应用电路中,几乎每个独立器件的电源引脚、同一个器件的不同电源引脚都会就近接上若干电容,这又是什么原因呢?根据这些电容作用的侧重点不同,人们给予了不同的名称:滤波电容、储能电容、旁路电容、去耦电容、交流接地电容。有些文章特地区分不同名称下含义不同,在作者看来,不管哪种名称,其电容的本质并未改变,只是看问题的角度不一样罢了。例如,滤波电容是为了滤除电源纹波或者从器件泄露出来的噪声,换个角度就是让电源上的交流纹波、高频噪声通过电容旁路到地了,当不同器件的电源引脚都各自就近接上适当的电容,那么电源上的噪声就不容易通过电源网络互相串扰,所谓“去耦”;储能电容在满足负载瞬间大电流的同时,难道不能理解为稳定电源电压吗?难道不能理解为替电源滤除瞬间的脉冲干扰吗?难道不能理解为让脉冲干扰通过电容旁路到地吗?无论哪一种说法,本质上不都是让电源电压尽量保持为理想的直流不变量吗?正是因为现实中的电源不理想、内阻非0/∞、电路走线存在各种寄生的阻容感,才借助适当取值的电容来帮忙,给不同频率的交流分量一个尽量理想的“地”;交流分量处理好了,直流就“纯正”了。QZ6ednc

然而,现实中的电容也不理想,也存在各种寄生参数,这些寄生参数在直流或低频时表现不明显,但随着频率提高就会越发突出甚至失去电容的性质。因此为使不同频率下电容仍发挥“电容的作用”,需要选用合适的电容。电容的寄生参数跟制作材料、封装类型、封装尺寸相关,通常容值越大、尺寸越大的电容适用的工作频率越低,电源网络中针对不同频段的交流接地就必须同时选用多个不同大小的电容并联。电路的特性几乎总是跟信号频率/波长紧密联系的,高频信号的波长更短,更容易达到电路的物理尺寸量级而离开集总参数近似,进入分布式参数的范畴,故频率最高的“地”应该得到优先照顾,因此容值越小、工作频率越高的电容放置在更靠近器件电源引脚或者需要交流接地的位置,如下几个例子无一不是如此。QZ6ednc

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这里几个放大器的应用电路让作者想到了曾经刚接触MMIC设计时的一次经历:一位有多年经验的设计师在放大器电路仿真时叮嘱我在电源引脚外部一定要按照实际应用情况那样接100pF、10000pF、10uF级别的电容,这个观点我当然是认可的,但他的仿真电路是这样的,我就不敢苟同了:QZ6ednc

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如果你并没发现上面的仿真电路图有什么问题,那么可以随便找个晶体管模型来验证一下加与不加 C3~C8那一堆电容是不是对电路性能毫无影响?而下面这个电路在电源和电容之间插入理想的DC_Feed(只通直流,不通交流,相当于无穷大的理想电感)后,有无C3~C8时电路性能就有天壤之别了,这是为什么呢?前文已经解释过了。QZ6ednc

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正是因为电源理论上和实际中的交流接地,高频电路中电源和地的地位是对等的、都应按照“交流地”来处理QZ6ednc

所以请记住:射频不是你想那样!QZ6ednc

责编:Demi
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