电子电路设计总结
一、 接地与布线
1.1单元内部的接地
在这里，“单元”可以定义为一个单一的电路板或者是一组电路板，并且这些电路板又通过导线连接到一个公共外壳上的所谓“本地”接地点上，例如，电源地的接入点。在图1-1中给出了这样的示例。我们假设PBCl(印制电路板)中包含有信号整形电路，PCB2中包含有一 个用于信号处理的微处理器，而PCB3包含有一个大电流的输出驱动，例如为继电器和指示灯提供驱动。也许你会将这些功能设计在一块电路板上，但是，如果将这些功能分开来考虑。那么，从原理上讲，这样的设计将会更容易被接受和采纳。电源供给单元(PSU)为前面的两个电路板提供了一个低电压的供电电源，并为输出电路板提供了一个大功率的电源。这是一个相当普通的系统设计，下面将从图1-1出发，来讨论一下什么是好的和不好的设计方案。（噪声和干扰大多来自地，所以良好的地设计是系统设计的关键）
图1-1 典型的内部连接单元的布线方案
L表示火线，N表示零线，E表示地线连接到大地（安全地），是设备外壳连接到大地的“地”。而指定5V、负12V或2.5V供电时，他们的电压都是相对于零线（电压为0）来说的。
1.2机壳地
首先，要注意到在这里的连接都是只连接到金属机壳或外壳的一个点上。所有需要连接到机壳的导线都引到了这个点上，这个点应该是一个为这一目的而设置的金属接线柱。这个连接可以是主电源的安全地(在后续内容中有更详尽的讨论)即0V电源地线，以及任何可能需要的屏蔽和过滤的连接，包括被电源自身所需要的屏蔽，例如，在变压器内部的静电屏蔽。使用单一的机壳接地的目的是为了防止在机壳中出现循环的电流（然而，当需要使用RF(射
频)屏蔽或一个低电感接地，多点接地点可能就是必需的）。如果使用多个接地点，即电流在返回时有另外一个途径，则电流的一部分将流经机壳(如图1-2中所示);这部分电流的大小将取决于与对频率非常敏感的阻抗比。这样，这些流经机壳的电流大小将很难被掌握，并且它会随着电路结构的不同而不同，因此，这些电流会造成一些意想不到的、令人厌烦的影响:在对一个振荡和干扰进行全力跟踪了若干小时之后，才发现当将一颗看上去无关紧要螺丝钉再拧紧到机壳上时，问题竟然解决了。这些机壳上的连接点都会受到腐蚀的影响，因此单元电路的性能会随时间而下降，并且它们还将受到机壳材料表面氧化的影响。如果在设计中使用了多点机壳接地，那么，对机壳的电气结构就需要格外注意。
图1-2 带有多点接地的返回电流路径
1.3 接地回路
采用机壳单点连接的另外一个原因是防止机壳上的环流，当多点机壳连接与其他的地 线进行组合时，就会形成所谓的“地回路”，这个回路会孕育出一个低频的电磁干扰。磁场会在一个环形的、封闭的电路中，感应出一个感应电流。通常，这些磁场会出现在电源变压器的附近，它们不仅在常规的50Hz(在美国是60Hz)市电电源变压器和开关电源线圈处出现， 而且也在其他的一些电气设备周围出现，如电源开关、圆筒形状线圈和风扇等设备处。此外，外部的磁场也可能是经常存在的。
如果在输入电路中包含有一个地回路，那么这个感应电压就会直接以串联的方式加入到所需要的信号中，并且，在此之后就不可能再将这些感应信号从真正的信号中分离出来。要解决这一问题的方法是:
◎通过只在一端进行接地，打开接地的环路。 ◎通过重新布置那些直接到接地点或机壳的线，或者直接缩短这些线，以减少封闭环的 面积。
◎通过重新定位或重新调整己构成的环或干扰源的位置，以减少垂直于环路的磁通量。 ◎通过使用螺旋管形变压器代替传统变压器，以减少干扰源。
1.4电源回馈(电源地)
在图1-1中，你可能会注意到输出电源的OV连接[OV(B)]是与[0V(A)]分隔开的，它只在电源供给处连接在一起。假设考虑到布线的节省，不按照这个实践方案进行布线，而是采用图1-3中所示的将PCB3和PCB2的OV接地线共用，那么，情况又会怎样呢?
现在，电源的返回电流Iov，是由来自内PSB/PCB3的电流和来自PSA/PCB2的电流所组成的，它们共同使用同一长度的导线(或者是在单板的PCB系统中的同一条电路布线)。这条 线会拥有某个非零的阻抗，由于讨论的是直流，可以假设这一阻抗为Rs。在原来的电路中它只是Iov（2） ，而由它所产生的电压为: Vs = Rs·Iov（2） 但是，在现在这个节省的电路中: Vs = Rs·(Iov（2） + Iov（3）)
图1-3 公共的电源地线
可见，这个电压是两块电路板电源回路电压的串联，因此削弱了实际的供电电压。
在这个等式中代人一些典型的数值:
Iov（3）=1.2A由于它是为一个大功率的电源输出电路供电，假设它的VB+为24V。 Iov（2） = 50mA由于它是为一个微处理器及一些CMOS逻辑电路供电，假设它的VA+ 为3.3 V。
现在假设，由于某种原因，电源与电路板之间有一段距离，而你也并没有在意在这中间可能会出现问题，于是随便使用了一条室温电阻为0.2Ω，7/0.2㎜的2m设备线。这时，电压Vs将是:Vs = 0.2· (12 + 0.05) = 0.25 V
在其他因素造成电源电压所允许的公差或电压值降低之前，这个设备线上的电压就使PCB2 的电源供给电压下降到了3.05 V，小于3.3 V逻辑电路的工作下限。一个错误的线路连接就会造成电路工作的异常!当然，这个0.25 V的电压降也需要从24 V的供电电压中减去， 但是这只会造成这个电源大约1%的电压损耗，它对电路的正常工作不会产生太大的影响。
不定负载
如果在PCB3上1.2A的负载是一直不停地变化的，假设有几个大电流的继电器在不同的时间里不断切换，从全闭到全开，这样PCB2上的Vs电压降也将是随之变化的。比起恒定的电压降，通常，这样的变化是非常有害的，因为它会在零线上形成噪声。这个影响可以造成处理器工作的不稳定，以及临界电压设定值的不断修改和产生导致继电器工作振荡的不可确定反馈，或者是在音频电路中引发低频的“汽船声”振荡。
作为比较，看一下应用在图1-1中的同样电路，在那里使用了彼此独立的零线。那么， 这里需要考查两个电压降:3.3V供给的VS(A)和24V供给的VS(B)。VS(B)是由1.2A乘以0.2Ω得的，与前面有基本相同的值(0.24V)，但这里它只需要从24V电源中减去。而VS(A)是由50mA乘以0.2Ω得到的，即10mV，对于PCB2在3.3V上只造成了接近于OV的电压降，于是，它是可以忽略的。所以，规则是:永远采用分设的电源地线，用不同的导线来分别承载由每个电源所提供的电流(参见图1-4)。
图1-4 连接电源地线的方式
注意：如果不同的电源使用了不同的零线连接(如图1-1中所示) ，那么这个规则将容易 得到保证，但是如果不同的电源间设计了一个公共的零线，如上图所示，那么也要使用不同 的零线连接。对于聪明的设计者，在这些线路上所进行的额外投入，将永远是物有所值的。
电源供给线
同电源地线一样，这个规则也同样适用于电源线的配备，事实上,它要应用到任何一个在不同电路板间共用相同电源连接的情况.假设在PCB3上的大电流负载也是由电源VA+的+5V供给的，那么正确的连接方式是使用两条不同的电源供给线(参见图1-5)。
图1-5 分开的电源供给线路
与使用分开的地线的原因相同:使用一条公用的电源供给线，会在电源电压上形成一个 公共的串联电压降，只是这里被加入到了电源供给线上，而不是地线上。它可能导致的故障 现象也是一样的，当然，由于在正常情况下你会选用更合适于电流传输的线路尺寸，上面给 出的例子在描述上会多少有些出入。当一个较大的电流流经一个较长的导线时，则需要一个更低的线路电阻，即可采用更粗的传输导体。如果想要有效地控制这个电压降，那么，就需要对给定导线的直径、长度和流经电流的大小进行计算。在上面示例中，需要强调的要点是，许多人在进行设计时，没有真正考虑过这个似乎是突然出现的电压降。
导体的阻抗
注意，在上面的示例和下面几页的讨论中，都默认地假设导线上的阻抗就只是它的电 阻。而事实上，现实中的导线都是有电感的，它就像电阻一样，不可避免地会在导线传送交 流电时产生影响，而且，这个影响会随着信号频率的增加而增加。一条长1 m的16/0.2设备导线的电阻为38mΩ，而它的自感为15uH。当4A的直流电流流过它时，将产生152mV的电压降。当一个变化速率为4 A/μs的交变电流流过它时，它将产生6V的电压降。请注意这里的不同！
1.5 输入信号接地
在图1-1中，输入信号是直接连接到PCB1上的，注意，它并没有被连接到PCB外部的地。为了详细说明这部分的内容，图1-6(a)给出了对于双线单端输入连接的推荐方案，将接地点直接连接到放大器的参考点上。
对于单端输入，确定其对地的参考点并不是一件轻松的工作，这个点的选择会影响到输 入信号的质量，并可能影响到整个变压器的正常工作。只有正确地选择，才可以保证需要放大的信号中不会有额外的信号通过公共线路上的阻抗串联地叠加进来。图1-6(b)到图1-6(d) 以渐进的方式，给出了多个不正确输入的连接方式，在其中点X-X之间的阻抗就是一个输入 电流和其他电流会共同流经的阻抗，在这个共同的阻抗上会形成一个影响输入的干扰源。
图1-6 输入信号接地
从PCB上的其他点连接到零线
缺乏对PCB布局的合理控制，是造成图1-6 (b)所示布局最常见的原因，这一情况更多地 会出现在使用自动布线软件来进行布局设计的电路中。大多数的CAD布局软件都是假定零线为单一节点的，并且假定可以根据需要将接地连接自由地引入到这条零线的任意一点上。要解决这个问题，需要将每个指定的输入都当做一个分立的节点来进行处理，然后再进行连接，或者，在必要时对最终的布局进行全面的调整。在进行手工布局时，如果设计者和布局者之间缺乏必要的沟通，那么设计的结果也极有可能犯同样的错误。
在单元内部连接到零线
图1-6(c)所示的布局经常出现在将输入连接器的一端不经意地连接到了电路的金属外 壳上，例如，在使用标准的BNC同轴连接器时，或者为节省连接器的成本而让分布在不同电路板间的多个输入、输出或控制信号共享一个公共接地导体时。当输入信号很敏感时，这个 节省将会很不划算；如果你一定要使用BNC类型的连接器，那么，可能会导致多种不同的情