【導(dǎo)讀】本文章由德州儀器的高級模擬應(yīng)用工程師為您詳細(xì)介紹混合信號系統(tǒng)使用的一些接地方法，它共分兩個(gè)部分。第1部分為您解釋說明一些常用的術(shù)語和接地層，并介紹劃分方法。第2部分探討分割接地層的一些方法，包括每種方法的利弊。它還介紹了使用多轉(zhuǎn)換器和多板的一些系統(tǒng)的接地情況。
混合信號系統(tǒng)接地揭秘
所有信號處理系統(tǒng)都要求混合信號器件，例如：模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 等。對于寬動態(tài)范圍模擬信號處理的需求，要求必須使用高性能ADC和DAC。要在高噪聲數(shù)字環(huán)境下保持性能，依賴于優(yōu)秀的電路設(shè)計(jì)方法，例如：正確的信號布局、去耦和接地等。
毫無疑問，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，接地是我們討論最多的話題之一。盡管基本概念十分簡單，但實(shí)現(xiàn)起來卻并不容易。就線性系統(tǒng)而言，接地是信號建立的參考基準(zhǔn)，而不幸的是，它也成為單極電源系統(tǒng)中電源電流的返回通路。錯(cuò)誤的接地方法會降低高精度線性系統(tǒng)的性能。沒有哪一種教程能夠保證一定能獲得理想的結(jié)果，但我 們可以注意幾個(gè)容易引發(fā)問題的方面。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的一個(gè)術(shù)語是星形接地。這個(gè)術(shù)語的意思是，某個(gè)電路中所有電壓均指一個(gè)單接地點(diǎn)，也即星形接地點(diǎn)。它的關(guān)鍵特性是，在接地網(wǎng)絡(luò) 中，對特定點(diǎn)的所有電壓進(jìn)行測量，而不僅僅是某個(gè)非定義接地（不管探針定在何處）。特別需要指出，這種方法實(shí)現(xiàn)起來很困難。例如，在一個(gè)星形接地系統(tǒng)中，為了最小化信號相互作用和高阻抗信號或接地通路產(chǎn)生的效應(yīng)而擬定出所有信號通路，會帶來實(shí)現(xiàn)問題。當(dāng)給電路添加電源時(shí)，它們會增加非理想接地通路，或者其 現(xiàn)有接地通路中電源電流較強(qiáng)或噪聲較多，以致于破壞信號傳輸。
圖1：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的AGND和DGND引腳
混合信號器件中AGND和DGND引腳解釋
數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)工程師們往往會從各個(gè)不同角度來查看混合信號器件，但每名使用混合信號器件的工程師都會注意到模擬接地 (AGND) 和數(shù)字接地 (DGND)。對于如何處理這些接地，許多人感到困惑，而多數(shù)困惑均來自于如何標(biāo)示ADC接地引腳。注意，引腳名稱AGND和DGND是指該組件的內(nèi)部情 況，并不必然表明你應(yīng)該在外部如何操作。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表通常建議將模擬和數(shù)字接地捆綁在器件上。但是，設(shè)計(jì)人員有時(shí)想而有時(shí)又不想讓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為系統(tǒng) 的星形接地點(diǎn)。我們應(yīng)該如何做呢？
如圖1所示，混合信號IC內(nèi)的接地一般會保持獨(dú)立，目的是避免數(shù)字信號耦合進(jìn)入模擬電路。對于連接芯片上焊墊至封裝引腳相關(guān)的內(nèi)部電感和電阻（相比電 感可忽略不計(jì)），IC設(shè)計(jì)人員沒有一點(diǎn)辦法。快速變化的數(shù)字電流在數(shù)字電路中產(chǎn)生電壓（di/dt），其不可避免地會通過雜散電容耦合進(jìn)入模擬電路。
若不考慮這類耦合，IC可以工作得很好。但是，為了防止進(jìn)一步的耦合，我們應(yīng)使用最短的導(dǎo)線，從外部把AGND和DGND引腳接合到一起，連接同一低 阻抗接地層。DGND連接中任何一點(diǎn)外部阻抗都會引起更多的數(shù)字噪聲，而其反過來又會通過雜散電容讓更多的數(shù)字噪聲耦合進(jìn)入模擬電路。
模擬還是數(shù)字接地層，又或者兩者兼有？
為什么需要接地層？如果一條總線線路用作接地而非層，則必須進(jìn)行計(jì)算才能確定總線線路的壓降，因?yàn)榇蠖鄶?shù)邏輯轉(zhuǎn)換等效頻率的阻抗。這種壓降造成系統(tǒng)最 終精確度誤差。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)接地層，雙面PCB的一面由連續(xù)銅材料組成，用作接地。由于使用大面積、扁平化導(dǎo)體方式，大量金屬材料實(shí)現(xiàn)最低程度電阻和電感。
接地層起到一個(gè)低阻抗返回通路的作用，旨在去耦快速數(shù)字邏輯引起的高頻電流。另外，它還最小化了電磁干擾/射頻干擾（EMI/RFI）產(chǎn)生的輻射。由 于接地層的屏蔽行為，電路對于外部EMI/RFI的敏感性降低了。接地層還允許高速數(shù)字或者模擬信號通過傳輸線路（微波傳輸帶或者帶狀線）方法進(jìn)行傳輸， 其要求受控阻抗。
如前所述，AGND和DGND引腳必須在器件上接合到一起。如果必須隔離模擬和數(shù)字接地，那么我們應(yīng)該將它們連接到模擬接地層、數(shù)字接地層還是兩個(gè)都連呢？
請記住，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是模擬的！因此，AGND和DGND引腳應(yīng)連接至模擬接地層。如果它們被連接至數(shù)字接地層，則模擬輸入信號將出現(xiàn)數(shù)字噪聲，因?yàn)樗?可能為單端，并且參考模擬接地層。連接這兩個(gè)引腳至靜態(tài)模擬接地層，會把少量數(shù)字噪聲注入其中，并降低輸出邏輯的噪聲余量。這是因?yàn)椋敵鲞壿嫭F(xiàn)在參考模 擬接地層，并且所有其它邏輯均參考數(shù)字接地層。但是，這些電流應(yīng)為非常小，并且通過確保轉(zhuǎn)換器輸出不驅(qū)動大扇出得到最小化。
可能的情況是，設(shè)計(jì)使用器件的數(shù)字電流可低可高。兩種情況的接地方案并不相同。一般而言，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器常常被看作為低電流器件（例如：閃存ADC）。但 是，今天的一些擁有片上模擬功能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，正變得越來越數(shù)字化。隨著數(shù)字電路的增加，數(shù)字電流和噪聲也隨之增加。例如，∑-△ADC包含一個(gè)復(fù)雜的數(shù) 字濾波器，其相當(dāng)大地增加了器件的數(shù)字電流。
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低數(shù)字電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接地
正如我們講的那樣，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（或者任何混合信號器件）均為模擬。在所有系統(tǒng)中，模擬信號層都位于所有模擬電路和混合信號器件放置的地方。同樣，數(shù)字信號層擁有所有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理電路。模擬與數(shù)字接地層應(yīng)有同各自信號層相同的尺寸和形狀。
圖2概述了低數(shù)字電流混合信號器件接地的方法。該模擬接地層沒有被損壞，因?yàn)樾?shù)字瞬態(tài)電流存在于本地去耦電容器VDig和DGND（綠線）之間的小 型環(huán)路中。圖2還顯示了一個(gè)位于模擬和數(shù)字電源之間的濾波器。共有兩類鐵氧體磁珠：高Q諧振磁珠和低Q非諧振磁珠。低Q磁珠常用于電源濾波，其與電源連接 點(diǎn)串聯(lián)。
圖2：低內(nèi)部數(shù)字電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接地
高數(shù)字電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接地
圖2所示電路靠VDig和DGND之間的去耦電容器來使數(shù)字瞬態(tài)電流隔離在小環(huán)路中。但是，如果數(shù)字電流足夠大，并且有組件在DC或者低頻下，則該去 耦電容器可能必須非常的大，而這是不實(shí)際的。VDig和DGND之間環(huán)路之外的任何數(shù)字電流，必須流經(jīng)模擬接地層。這可能會降低性能，特別是在高分辨率系 統(tǒng)中更是如此。圖3顯示了一種適用于強(qiáng)數(shù)字電流混合信號器件的替代接地方法。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的AGND引腳連接至模擬接地層，而DGND引腳則連接至數(shù)字接地 層。數(shù)字電流也隔離于模擬接地層，但兩個(gè)接地層之間的噪聲卻直接作用于器件的AGND和DGND引腳之間。模擬和數(shù)字電路必須獲得有效的隔離。AGND和 DGND引腳之間的噪聲必須不能過大，否則會降低內(nèi)部噪聲余量，或者引起內(nèi)部模擬電路損壞。
模擬和數(shù)字接地層的連接
圖2和3顯示了連接模擬和數(shù)字接地層的備選背靠背肖特基二極管。該肖特基二極管防止大DC電壓或者低頻電壓尖峰在兩個(gè)層之間形成。如果其超出0.3V，這些電壓可能會損壞混合信號IC，因?yàn)樗鼈冎苯映霈F(xiàn)在AGND和DGND引腳之間。
作為一種背靠背肖特基二極管的替代方法，鐵氧體磁珠可以在兩個(gè)層之間提供一個(gè)DC連接，并在數(shù)兆赫茲頻率時(shí)對其進(jìn)行隔離，此時(shí)鐵氧體磁珠電阻增加。這 種方法可防止IC受到AGND和DGND之間DC電壓的損壞，但是這種鐵氧體磁珠提供的DC連接會引入討厭的DC接地環(huán)路，其可能不適合于高分辨率系統(tǒng)。 只要在高數(shù)字電流IC特殊情況下AGND和DGND引腳被隔離，則在必要時(shí)應(yīng)將它們連接在一起。
跳線和/或帶選項(xiàng)允許我們嘗試兩種方法，以驗(yàn)證哪種方法能夠獲得最佳總系統(tǒng)性能。
隔離還是分割：哪一種對接地層重要？
一個(gè)常見問題是如何隔離接地，以讓模擬電路不干擾數(shù)字電路。眾所周知，數(shù)字電路噪聲較大。開關(guān)期間，邏輯飽和從其電流吸引強(qiáng)、快速電流尖峰。相反，模 擬電路非常容易受到噪聲的影響。模擬電路可能不會干擾數(shù)字邏輯。相反，可能的情況是，高速數(shù)字邏輯可能會干擾低級模擬電路。因此，這個(gè)問題應(yīng)該是如何防止 數(shù)字邏輯接地電流污染混合信號PCB上的低級模擬電路。我們首先想到的可能是分割接地層以將DGND隔離于AGND。盡管分割層方法可以起作用，但它存在 許多問題—特別是在一些大型、復(fù)雜系統(tǒng)中。
圖3：高內(nèi)部數(shù)字電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接地
共有兩條基本的電磁兼容（EMC）原則：
1、電流應(yīng)返回其本地源，并且要盡可能地緊湊。否則，應(yīng)構(gòu)建環(huán)路天線。
2、一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)只有一個(gè)基準(zhǔn)層，因?yàn)閮蓚€(gè)基準(zhǔn)會形成一個(gè)偶極天線。
在EMC測試期間，當(dāng)在接地或者電源層中某個(gè)插槽或者縫隙之間布置線路時(shí)可觀察到大多數(shù)問題。由于這種布線會引起輻射和串?dāng)_問題，因此我們不建議使用。
重要的是，清楚地知道某個(gè)分割層中的接地電流如何流動以及流向何處。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員只想到了信號電流流向何處，而忽略了返回電流的路徑。高頻信號有一 個(gè)特點(diǎn)：沿阻抗（電感）最低的路徑流動。路徑電感由路徑圈起的環(huán)路面積大小決定。電流返回源必須經(jīng)過的面積越大，電感也就越大。最小電感路徑直接靠近線 路。因此，不管是哪一層—電源或者接地—返回電流都在與線路相鄰的層上流動。電流在該層內(nèi)會微有擴(kuò)散，并且保持在線路下面。本質(zhì)上而言，其精確分布情況與 高斯曲線類似。圖4表明，返回電流直接位于信號線路下面。這會形成一條最小阻抗的路徑。
圖4：返回電流分布情況
返回路徑的電流分布曲線為：
IO為總信號電流（A），h為線路厚度（cm），而D為距離線路的長度（cm）。由該方程式我們可知道，數(shù)字接地電流不愿流經(jīng)接地層的模擬部分，因此不會損壞模擬信號。
就基準(zhǔn)層而言，過孔間隙部分不干擾返回電流路徑，這一點(diǎn)很重要。如果存在障礙，返回電流便會另尋路徑繞過它，如圖5所示。但是，這種布線最有可能會引 起電流的電磁場，干擾其它信號線路的磁場，從而產(chǎn)生串?dāng)_問題。另外，這種障礙會對它上面的線路阻抗產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致不連續(xù)以及EMI增加。
本系列文章第2部分將討論分割接地層存在的利和弊，并說明多轉(zhuǎn)換器和多板系統(tǒng)的接地方法。
圖5：有無插槽兩種情況的返回電流
本文作者：Sanjay Pithadia，德州儀器 (TI) 模擬應(yīng)用工程師
Shridhar More，高級模擬應(yīng)用工程師
