淺談一下自己對(duì)“射頻地”的一些認(rèn)識(shí)

初中物理就學(xué)過(guò)，電壓又稱電勢(shì)差，即任意兩個(gè)電勢(shì)/電位的差值，一般認(rèn)為無(wú)窮遠(yuǎn)處的電勢(shì)為0，通常說(shuō)的“電壓”隱含條件就是相對(duì)于0電勢(shì)的差值，但這個(gè)“無(wú)窮遠(yuǎn)處的0電勢(shì)”太含糊了，實(shí)際電路分析的時(shí)候不可能去探測(cè)到它。好在電壓跟絕對(duì)電勢(shì)無(wú)關(guān)，它只是一個(gè)差值，因此我們可以任意選擇電路中某一個(gè)電位作為參考基準(zhǔn)點(diǎn)，人為規(guī)定它是0電勢(shì)點(diǎn)，則這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)就稱為“地”（Ground）。

人為定義好“地”以后，電路中任一點(diǎn)的電壓就有了參考。說(shuō)“電阻一端的電壓是5V”，實(shí)際上是說(shuō)“電阻某一端對(duì)地的電壓是5V”，但如果說(shuō)“電阻兩端的電壓是5V”，已經(jīng)明確了是以電阻的某一端作為參考，并不以“地”為參考。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，又人為將“地”細(xì)分為“電源地”、“數(shù)字地”、“模擬地”、“射頻地”，有很多文章和理論分析介紹應(yīng)該如何處理電路中不同的“地”。本文僅淺談一下自己對(duì)“射頻地”的一些認(rèn)識(shí)。

模擬電路基礎(chǔ)中講晶體管放大器，做直流工作點(diǎn)分析時(shí)，電源電壓取給定值；

但在畫交流等效電路分析小信號(hào)特性時(shí)，卻將電源等價(jià)于地來(lái)處理。這是為什么呢？

模電老師告訴你，因?yàn)槿我庑盘?hào)可以分解為一個(gè)直流量和交流量的疊加，即 “疊加定理” ，因此電路分析時(shí)，可以分別分析其直流和交流特性，從而簡(jiǎn)化電路分析難度。而對(duì)于電路中的電源需要作“除源”處理，即直流分析時(shí)，就只保留直流電源；交流分析時(shí)，只保留交流電源。而電路分析基礎(chǔ)中又講過(guò)“諾頓等效”和“戴維南等效”定理，理想電壓源內(nèi)阻為0，理想電流源內(nèi)阻無(wú)窮大。因此不論是直流電源還是交流電源，理想電壓源都用短路等效，理想電流源都用開(kāi)路等效。而對(duì)于有內(nèi)阻的非理想電壓源，將電源短路但保留內(nèi)阻；對(duì)內(nèi)阻有限的非理想電流源，將電源開(kāi)路但保留內(nèi)阻。

總結(jié)起來(lái)一句話就是 電壓源短路處理，電流源開(kāi)路處理 ，但從都到尾都沒(méi)說(shuō)跟“地”有什么關(guān)系啊？沒(méi)錯(cuò)，的確 “除源”不一定就是接地！ 問(wèn)題在于，通常的電路中都是用電壓源供電的，例如上圖中的VCC標(biāo)記，雖然沒(méi)有明確用電壓源表示，但指定的是固定電壓供電，故應(yīng)該理解為電壓源。而這個(gè)電壓源的電壓是相對(duì)于“地”來(lái)定義的，直觀上來(lái)看，電源正端接VCC，負(fù)端接地，電壓源在交流分析時(shí)作短路處理，因此在這種情況下就 退化為“電源等效為接地” 了。

來(lái)看這樣一個(gè)例子，一個(gè)幅度為0.5V的正弦電壓源和一個(gè)1V的直流電壓源分別驅(qū)動(dòng)同一個(gè)電阻的兩端：

上圖中標(biāo)注了各節(jié)點(diǎn)的直流電壓和直流電流，可見(jiàn)A點(diǎn)直流電壓為0，等效為接地，直流電流為1A，只跟直流電源和電阻值有關(guān)。再來(lái)看下圖的時(shí)域波形，電阻總電流的直流成分為1A，交流成分為0.5A的正弦波。

正是因?yàn)樗行盘?hào)都是對(duì)地來(lái)定義的，參考“地”不理想，就等于是引入了噪聲或干擾，因此單端信號(hào)更容易受“地”影響；差分傳輸就是為了削弱“地”的影響，從而支持比單端方式速率/頻率高得多的信號(hào)。但注意，差分仍然只是從理論上去除了地的影響，現(xiàn)實(shí)中的電路，總會(huì)存在一個(gè)“地”，即便是差分形式的，總還是存在共模干擾，而且共模干擾還會(huì)向差模轉(zhuǎn)換。所以 “地”的處理是電路設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)，越是工作頻率高、傳輸速率快的電路越是如此 。

實(shí)際應(yīng)用電路中，幾乎每個(gè)獨(dú)立器件的電源引腳、同一個(gè)器件的不同電源引腳都會(huì)就近接上若干電容，這又是什么原因呢？根據(jù)這些電容作用的側(cè)重點(diǎn)不同，人們給予了不同的名稱：濾波電容、儲(chǔ)能電容、旁路電容、去耦電容、交流接地電容。有些文章特地區(qū)分不同名稱下含義不同，在作者看來(lái)，不管哪種名稱，其電容的本質(zhì)并未改變，只是看問(wèn)題的角度不一樣罷了。例如，濾波電容是為了濾除電源紋波或者從器件泄露出來(lái)的噪聲，換個(gè)角度就是讓電源上的交流紋波、高頻噪聲通過(guò)電容旁路到地了，當(dāng)不同器件的電源引腳都各自就近接上適當(dāng)?shù)碾娙?，那么電源上的噪聲就不容易通過(guò)電源網(wǎng)絡(luò)互相串?dāng)_，所謂 “去耦”； 而儲(chǔ)能電容在滿足負(fù)載瞬間大電流的同時(shí)，難道不能理解為穩(wěn)定電源電壓?jiǎn)幔侩y道不能理解為替電源濾除瞬間的脈沖干擾嗎？難道不能理解為讓脈沖干擾通過(guò)電容旁路到地嗎？無(wú)論哪一種說(shuō)法，本質(zhì)上不都是讓電源電壓盡量保持為理想的直流不變量嗎？正是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中的電源不理想、內(nèi)阻非0/∞、電路走線存在各種寄生的阻容感，才借助適當(dāng)取值的電容來(lái)幫忙，給不同頻率的交流分量一個(gè)盡量理想的“地”；交流分量處理好了，直流就“純正”了。

然而，現(xiàn)實(shí)中的電容也不理想，也存在各種寄生參數(shù)，這些寄生參數(shù)在直流或低頻時(shí)表現(xiàn)不明顯，但隨著頻率提高就會(huì)越發(fā)突出甚至失去電容的性質(zhì)。因此為使不同頻率下電容仍發(fā)揮“電容的作用”，需要選用合適的電容。電容的寄生參數(shù)跟制作材料、封裝類型、封裝尺寸相關(guān)，通常容值越大、尺寸越大的電容適用的工作頻率越低， 電源網(wǎng)絡(luò)中針對(duì)不同頻段的交流接地就必須同時(shí)選用多個(gè)不同大小的電容并聯(lián)。 電路的特性幾乎總是跟信號(hào)頻率/波長(zhǎng)緊密聯(lián)系的，高頻信號(hào)的波長(zhǎng)更短，更容易達(dá)到電路的物理尺寸量級(jí)而離開(kāi)集總參數(shù)近似，進(jìn)入分布式參數(shù)的范疇，故頻率最高的“地”應(yīng)該得到優(yōu)先照顧，因此容值越小、工作頻率越高的電容放置在更靠近器件電源引腳或者需要交流接地的位置，如下幾個(gè)例子無(wú)一不是如此。

這里幾個(gè)放大器的應(yīng)用電路讓作者想到了曾經(jīng)剛接觸MMIC設(shè)計(jì)時(shí)的一次經(jīng)歷：一位有多年經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師在放大器電路仿真時(shí)叮囑我在電源引腳外部一定要按照實(shí)際應(yīng)用情況那樣接100pF、10000pF、10uF級(jí)別的電容，這個(gè)觀點(diǎn)我當(dāng)然是認(rèn)可的，但他的仿真電路是這樣的，我就不敢茍同了：

如果你并沒(méi)發(fā)現(xiàn)上面的仿真電路圖有什么問(wèn)題，那么可以隨便找個(gè)晶體管模型來(lái)驗(yàn)證一下加與不加 C3C8那一堆電容是不是對(duì)電路性能毫無(wú)影響？而下面這個(gè)電路在電源和電容之間插入理想的DC_Feed（只通直流，不通交流，相當(dāng)于無(wú)窮大的理想電感）后，有無(wú)C3C8時(shí)電路性能就有天壤之別了，這是為什么呢？前文已經(jīng)解釋過(guò)了。