21ic訊 本文是系列文章(共2部分)的第2部分。第1部分(見(jiàn)參考1)為你解釋了一些典型專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)和接地層，并介紹了分區方法。第2部分將討論分割接地層的利弊。另外，文章還將解釋多轉換器和多板系統接地。
如果分割接地層并且線(xiàn)路穿過(guò)分割線(xiàn)(如圖1所示)，那么電流返回通路在哪里呢?假設兩個(gè)層在某處連接(通過(guò)在一個(gè)單獨點(diǎn))，則返回電流必在該大型環(huán)路內流動(dòng)。大型環(huán)路內的高頻電流產(chǎn)生輻射和高接地電感。大型環(huán)路內的低電平模擬電流易受干擾的影響。
圖1 穿過(guò)接地層分割的信號線(xiàn)跡
如果兩個(gè)層僅在電源處連接(圖2)，則返回電流被迫直接流回電源接地，這是一個(gè)真正的大型環(huán)路!另外，不幸的是，不同RF電勢下使用長(cháng)線(xiàn)纜連接的模擬和數字接地層，形成一個(gè)非常有效的偶極天線(xiàn)。
圖2在電源位置連接的分割層
首選使用一個(gè)持續接地層以避免這種長(cháng)接地環(huán)路，但是如果使用分割接地層絕對必要并且線(xiàn)路穿過(guò)分割線(xiàn)，則各層應首先在一個(gè)位置連接，以形成一個(gè)返回電流的橋(圖3)。對所有線(xiàn)路進(jìn)行布局，讓它們穿過(guò)該橋，直接在每條線(xiàn)路下面提供一條返回通路，從而產(chǎn)生一個(gè)非常小的環(huán)路面積。這種方法的典型應用是權衡何時(shí)使用高分辨率(≥20-bit)Σ-Δ模數轉換器(ADC)。
圖3 線(xiàn)路接地層橋接
通過(guò)分割層傳輸信號的其它方法是使用光隔離器(通過(guò)光)、變壓器(通過(guò)磁場(chǎng))或者一個(gè)真正的差動(dòng)信號(信號沿一條線(xiàn)路傳輸，然后在另一條線(xiàn)路上返回，無(wú)需返回電流接地)。
一種更好的方法是“分區”。僅使用一個(gè)接地層始終為首選，把PCB劃分為模擬部分和數字部分(參見(jiàn)圖4b)。模擬信號必須安排在板的模擬部分，而數字信號必須安排在板的數字部分，并且所有層上都有這兩個(gè)部分。在這種情況下，數字返回電流不會(huì )存在于接地層的模擬部分，并且保持在數字信號線(xiàn)跡下面。圖4比較了一個(gè)分割層和一個(gè)分區層。
圖4 接地層布局
分區方法存在的唯一問(wèn)題是，當模擬信號錯誤地安排在板的數字部分(反之亦然)時(shí)則難以有效，如圖5所示。因此，對于所有PCB布局而言，重點(diǎn)是使用一個(gè)單個(gè)接地層，把它劃分為模擬和數字部分，然后運用信號安排原則。
圖5 錯誤安排的數字信號線(xiàn)跡
在一塊單獨板上使用多個(gè)數據轉換器時(shí)的接地
大多數數據轉換器的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)都說(shuō)明了相對于單一PCB的接地方法，并且通常為制造廠(chǎng)商自己的評估板。一般而言，我們建議把PCB接地層分割為一個(gè)模擬層和一個(gè)數字層。我們還建議，把轉換器的模擬接地(AGND)和數字接地(DGND)引腳放在一起，并且在同一個(gè)點(diǎn)連接模擬和數字接地層，如圖6所示。最終，在混合信號器件處形成系統的星形接地點(diǎn)。正如第1部分文章介紹的那樣，測量出與該特定點(diǎn)相關(guān)的電路所有電壓，而不僅僅只是一些讓測量探針跳動(dòng)的未定義接地。
圖6單塊PCB上的接地混合信號器件
所有有噪數字電流均通過(guò)數字電源流至數字接地層，然后再返回至數字電源，以此來(lái)隔離于電路板的敏感模擬部分。模擬和數字接地層在數據轉換器處交匯在一起時(shí)，形成系統的星形接地點(diǎn)。這種方法在使用單獨PCB和單個(gè)數據轉換器的簡(jiǎn)易系統中一般有效，但是它并不是很適合于多卡和多轉換器系統。如果不同PCB上有幾個(gè)數據轉換器，這種方法便無(wú)效，因為模擬和數字接地系統在PCB上每個(gè)轉換器處都交匯在一起，形成許多接地環(huán)路。
假設一個(gè)設計人員正在使用一塊擁有3個(gè)DAC和2個(gè)ADC的8層PCB。為了最小化噪聲，模擬和數字接地層應固定連接在所有ADC和數模轉換器(DAC)芯片下面。AGND和DGND引腳應相互連接，并且連接模擬接地層，同時(shí)模擬和數字接地層應單獨連接回電源。電源應進(jìn)入數字分區電路板，并直接給數字電路供電，然后經(jīng)過(guò)濾波或者調節以后給模擬電路供電。這樣，應僅把數字接地層連接回電源。圖7顯示了經(jīng)過(guò)分區的模擬和數字接地層，以及多數據轉換器PCB的電源連接。
圖7 多ADC的PCB電源與接地
多卡混合信號系統
設計人員開(kāi)始把單卡接地概念應用于多卡系統，這增加了人們對于混合信號接地的困惑。在一些不同PCB上具有數個(gè)數據轉換器的系統內，模擬和數字接地層在幾個(gè)點(diǎn)連接，帶來(lái)形成接地環(huán)路的可能性，并且使單點(diǎn)星形接地系統無(wú)法實(shí)現。
最小化多卡系統內接地阻抗的最佳方法是，把一個(gè)母板PCB用作兩個(gè)卡之間互連的底層。這樣便可為底板提供一個(gè)連續的接地層。PCB連接器至少有30%到40%的引腳用于接地。這些引腳應連接底層母板的接地層。完成整個(gè)系統接地方案，共有兩種可能性：
1、 底層的接地層在無(wú)數個(gè)點(diǎn)連接底板接地，讓各種接地電流返回通路四散。它一般指的是多點(diǎn)接地系統(圖8)。
2、 接地層連接至單個(gè)星形接地點(diǎn)(通常在電源處)。
3、 第一種方法常常用于全數字系統，但也可用于混合信號系統，前提條件是數字電路的接地電流足夠低，并且散布于一個(gè)較大的面積上。
PCB、底層和最終的底板都維持低接地阻抗。但是，接地連接金屬片底板的電氣觸點(diǎn)應具有良好的狀態(tài)，這一點(diǎn)很關(guān)鍵。它要求自動(dòng)攻絲金屬片螺釘或者咬式墊圈。陽(yáng)極氧化鋁用于底板材料時(shí)需特別小心，因為其表面會(huì )起到一個(gè)隔離器的作用。
圖8 多卡系統的接地方案
第二種方法即單點(diǎn)星形接地，通常用于具有單獨模擬和數字接地系統的高速混合信號系統。
參考文獻
1、《混合信號系統接地揭秘之第1部分》，作者：Sanjay Pithadia和Shridhar More，刊發(fā)于《模擬應用雜志》(2013年第1季度)
2、《混合信號PCB的分區與布局》，作者H.W. Ott，刊發(fā)于2001年6月《印制電路板設計》第8-11頁(yè)。
3、《模數轉換器接地方法對系統性能的影響》，刊發(fā)于《應用簡(jiǎn)報》
4、《鐵氧體磁珠》，刊發(fā)于2000年10月12日《EDN》博客，作者：Howard Johnson。
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