淺談一下自己對“射頻地”的一些認識

初中物理就學過，電壓又稱電勢差，即任意兩個電勢/電位的差值，一般認為無窮遠處的電勢為0，通常說的“電壓”隱含條件就是相對于0電勢的差值，但這個“無窮遠處的0電勢”太含糊了，實際電路分析的時候不可能去探測到它。好在電壓跟絕對電勢無關，它只是一個差值，因此我們可以任意選擇電路中某一個電位作為參考基準點，人為規定它是0電勢點，則這個基準點就稱為“地”（Ground）。

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

根據應用場合不同，又人為將“地”細分為“電源地”、“數字地”、“模擬地”、“射頻地”，有很多文章和理論分析介紹應該如何處理電路中不同的“地”。本文僅淺談一下自己對“射頻地”的一些認識。

模擬電路基礎中講晶體管放大器，做直流工作點分析時，電源電壓取給定值；

但在畫交流等效電路分析小信號特性時，卻將電源等價于地來處理。這是為什么呢？

模電老師告訴你，因為任意信號可以分解為一個直流量和交流量的疊加，即 “疊加定理” ，因此電路分析時，可以分別分析其直流和交流特性，從而簡化電路分析難度。而對于電路中的電源需要作“除源”處理，即直流分析時，就只保留直流電源；交流分析時，只保留交流電源。而電路分析基礎中又講過“諾頓等效”和“戴維南等效”定理，理想電壓源內阻為0，理想電流源內阻無窮大。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，理想電流源都用開路等效。而對于有內阻的非理想電壓源，將電源短路但保留內阻；對內阻有限的非理想電流源，將電源開路但保留內阻。

總結起來一句話就是 電壓源短路處理，電流源開路處理 ，但從都到尾都沒說跟“地”有什么關系啊？沒錯，的確 “除源”不一定就是接地！ 問題在于，通常的電路中都是用電壓源供電的，例如上圖中的VCC標記，雖然沒有明確用電壓源表示，但指定的是固定電壓供電，故應該理解為電壓源。而這個電壓源的電壓是相對于“地”來定義的，直觀上來看，電源正端接VCC，負端接地，電壓源在交流分析時作短路處理，因此在這種情況下就 退化為“電源等效為接地” 了。

來看這樣一個例子，一個幅度為0.5V的正弦電壓源和一個1V的直流電壓源分別驅動同一個電阻的兩端：

上圖中標注了各節點的直流電壓和直流電流，可見A點直流電壓為0，等效為接地，直流電流為1A，只跟直流電源和電阻值有關。再來看下圖的時域波形，電阻總電流的直流成分為1A，交流成分為0.5A的正弦波。

正是因為所有信號都是對地來定義的，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。但注意，差分仍然只是從理論上去除了地的影響，現實中的電路，總會存在一個“地”，即便是差分形式的，總還是存在共模干擾，而且共模干擾還會向差模轉換。所以 “地”的處理是電路設計中非常重要的一環，越是工作頻率高、傳輸速率快的電路越是如此 。

實際應用電路中，幾乎每個獨立器件的電源引腳、同一個器件的不同電源引腳都會就近接上若干電容，這又是什么原因呢？根據這些電容作用的側重點不同，人們給予了不同的名稱：濾波電容、儲能電容、旁路電容、去耦電容、交流接地電容。有些文章特地區分不同名稱下含義不同，在作者看來，不管哪種名稱，其電容的本質并未改變，只是看問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的噪聲，換個角度就是讓電源上的交流紋波、高頻噪聲通過電容旁路到地了，當不同器件的電源引腳都各自就近接上適當的電容，那么電源上的噪聲就不容易通過電源網絡互相串擾，所謂 “去耦”； 而儲能電容在滿足負載瞬間大電流的同時，難道不能理解為穩定電源電壓嗎？難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電容旁路到地嗎？無論哪一種說法，本質上不都是讓電源電壓盡量保持為理想的直流不變量嗎？正是因為現實中的電源不理想、內阻非0/∞、電路走線存在各種寄生的阻容感，才借助適當取值的電容來幫忙，給不同頻率的交流分量一個盡量理想的“地”；交流分量處理好了，直流就“純正”了。

然而，現實中的電容也不理想，也存在各種寄生參數，這些寄生參數在直流或低頻時表現不明顯，但隨著頻率提高就會越發突出甚至失去電容的性質。因此為使不同頻率下電容仍發揮“電容的作用”，需要選用合適的電容。電容的寄生參數跟制作材料、封裝類型、封裝尺寸相關，通常容值越大、尺寸越大的電容適用的工作頻率越低， 電源網絡中針對不同頻段的交流接地就必須同時選用多個不同大小的電容并聯。 電路的特性幾乎總是跟信號頻率/波長緊密聯系的，高頻信號的波長更短，更容易達到電路的物理尺寸量級而離開集總參數近似，進入分布式參數的范疇，故頻率最高的“地”應該得到優先照顧，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，如下幾個例子無一不是如此。

這里幾個放大器的應用電路讓作者想到了曾經剛接觸MMIC設計時的一次經歷：一位有多年經驗的設計師在放大器電路仿真時叮囑我在電源引腳外部一定要按照實際應用情況那樣接100pF、10000pF、10uF級別的電容，這個觀點我當然是認可的，但他的仿真電路是這樣的，我就不敢茍同了：

如果你并沒發現上面的仿真電路圖有什么問題，那么可以隨便找個晶體管模型來驗證一下加與不加 C3C8那一堆電容是不是對電路性能毫無影響？而下面這個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，相當于無窮大的理想電感）后，有無C3C8時電路性能就有天壤之別了，這是為什么呢？前文已經解釋過了。