提供穩定的電壓參考

圖8.1舉例說明了發生在單端邏輯系統中的電壓參考問題。邏輯門電路A產生輸出電壓V1，沿線路B傳播到門電路C的輸入，門電路C必須判決輸入邏輯電平是1還是0。為了完成這個功能，門電路C使用一個差分放大器，把輸入電壓與它的內部參考電壓R相比較。我們通常認為門電路的輸入不包含差分放大器，但是實際上是有的。這個差分放大器的拓撲結構引出了電壓參考的問題。

內部的參考電壓通常連接到電源輸入端的結點上。無論選擇哪一個電源端，都會出現基本相同的問題。對于這個例子，我們假設參考電壓對地是一個固定的偏置，將噪聲源N的影響包括在內，差分放大器的輸入電壓是：

任何在門電路A和門電路C的地之間引起的一個電壓差噪聲，都會直接在差分放大器上出現，如同疊加在輸入信號上的電壓一樣。噪聲電壓N減小了門電路C的噪聲裕量。

是什么因素導致門電路的地之間的噪聲電壓呢？最常見的因素就是返回信號電流。每當門電路A發送信號給門電路C時，流出的信號電流沿著電源分配線返回門電路A。當返回信號電流流過地線的電感時，引起像N這樣的噪聲電壓。不僅門電路A和門電路C，任何兩個門電路之間的返回電流都會產生地噪聲，對門電路C的接收產生干擾。圖8.2舉例說明了共路噪聲產生的原理。這樣的噪聲電壓稱為共路噪聲電壓。

共路噪聲電壓是返回信號電流和地阻抗的乘積。為了確保低的共路噪聲，我們必須降低門電路之間的地邊接阻抗。這項原則成為第一條電源系統設計準則：

電源設計準則1 在門電路之間采用低阻抗的地連接。

有非常低的可以避免共路噪聲問題的電感結構呢？實用的例子是，一個完整的地平面可以為返回信號電流提供非常低的電感。

共路噪聲與第5章中描述的互感耦合有關。兩個結果都涉及返回信號電流環之間的感性耦合。共路噪聲與把噪聲歸因于一個特定電路元件或走線集總電感不同。在第5章的討論中，涉及的條件是返回電流互相鄰但彼此分開，通過重疊磁場互相影響。

單獨降低地電感解決不了共路噪聲的問題。圖8.3舉例說明了這一點：即使每個門電路使用一個理想的地連接，電源線中的返回信號電流所引起問題。記住，門電路在HI狀態的輸出電壓取決于它的電源端電壓。電源線中的返回信號電流所引起的電源電壓的任何改變，都直接影響了輸出電壓。任何兩個門電路電源引腳之間的阻抗應該與引腳之間的阻抗一樣低。這是第二條電源系統設計準則：

電源設計準則2 任何兩個門電路的電源引腳之間的阻抗應該與地引腳之間的阻抗一樣低。

注意，在圖8.3中，返回信號電流流過電源的供電電池。顯然，為了維持穩定的傳輸信號電平，與地和電源的連接阻抗一樣，電池的阻抗必須非常低。在圖8.3中，電源和地之間的惟一路徑經過電池。這一個實際的電源系統設計中，由其他元件提供這條低阻抗路徑。但是，在電源和地之間必須有一些低阻抗路徑，然后才算完成了設計。這是第三條電源系統設計準則。

電源設計準則3 在電源和地之間必須有一條低阻抗路徑。

任何滿足這三條設計準則的電源系統，都將會有低的共路噪聲，并且以統一的電壓分配電源。提供穩定的參考電壓，低的共路噪聲，條點保持統一的電源分配電壓，這些特性是密不可分的。技術方法改進了一個特性，同樣也會改進其他特性。

圖8.4中的電源系統滿足所有這三條準則。該系統首先通過提供一個單獨的地平面傳送所有的返回電流，然后在每個門電路的電源和地之間增加旁路電容。電源的布線可以是任意的。讓我們用三條電源設計準則來檢查這個配置：

1、在門電路的地之間有一個地平面連接。

2、在電源端之間，串聯了一個電容阻抗，然后到地平面，然后是第二個電容。

3、在每個門電路中，從電源到地都有一個旁路電容。從任何電源到任何地之間的點進行測量，都會得到低阻抗。

單平面方式的最大缺點是其旁路電容的阻抗可能不夠低?？梢詤⒖加嘘P于選擇一個好的旁路電容方面的權衡的文獻。

一種更好的方式（見圖8.5）是電源和地分別采用銅平面，這樣就保證了任何兩個門電路的電源端或地端之間具有理想的特性。當平面彼此靠得非常近的時候，會共享許多耦合電容。這個電容在高頻時阻抗非常低，允許高頻電流很容易地平面之間來回流動。在低頻時，每個門電路上分散的旁路電容形成電源和地的短接。

1、在地之間，有一個地平面連接。

2、在電源端之間，有一個電源平面連接。

3、在電源和地之間，有旁路電容和電源平面與地平面之間的固有電容。

在結束本文之前，花一些時間來檢查圖8.6。差分的傳輸結構為每條信號線提供了一條內置的返回電流路徑。不僅如此，每個信號都傳送它自己的參考電壓！注意接收器中的差分放大器都不連接到電源端。差分輸是處理門電路之間通信的極佳方法，不需要共享很好的電源和地連接。

差分傳輸把分配電源的問題和提供穩定參考電壓的問題分開了。