引言
所有信號處理系統都要求混合信號器件，例如：模數轉換器(ADC)或數模轉換器 (DAC) 等。對于寬動(dòng)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。要在高噪聲數字環(huán)境下保持性能，依賴(lài)于優(yōu)秀的電路設計方法，例如：正確的信號布局、去耦和接地等。
毫無(wú)疑問(wèn)，在系統設計中，接地是我們討論最多的話(huà)題之一。盡管基本概念十分簡(jiǎn)單，但實(shí)現起來(lái)卻并不容易。就線(xiàn)性系統而言，接地是信號建立的參考基準，而不幸的是，它也成為單極電源系統中電源電流的返回通路。錯誤的接地方法會(huì )降低高精度線(xiàn)性系統的性能。沒(méi)有哪一種教程能夠保證一定能獲得理想的結果，但我們可以注意幾個(gè)容易引發(fā)問(wèn)題的方面。
本系列文章將為您詳細介紹混合信號系統使用的一些接地方法，它共分兩個(gè)部分，本文為第一部分。第1部分為您解釋說(shuō)明一些常用的術(shù)語(yǔ)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換器和多板的一些系統的接地情況。
在系統設計中經(jīng)常使用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)是星形接地。這個(gè)術(shù)語(yǔ)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)現起來(lái)很困難。例如，在一個(gè)星形接地系統中，為了最小化信號相互作用和高阻抗信號或接地通路產(chǎn)生的效應而擬定出所有信號通路，會(huì )帶來(lái)實(shí)現問(wèn)題。當給電路添加電源時(shí)，它們會(huì )增加非理想接地通路，或者其現有接地通路中電源電流較強或噪聲較多，以致于破壞信號傳輸。
混合信號器件中AGND和DGND引腳解釋
數字和模擬設計工程師們往往會(huì )從各個(gè)不同角度來(lái)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(huì )注意到模擬接地 (AGND) 和數字接地 (DGND)。對于如何處理這些接地，許多人感到困惑，而多數困惑均來(lái)自于如何標示ADC接地引腳。注意，引腳名稱(chēng)AGND和DGND是指該組件的內部情況，并不必然表明你應該在外部如何操作。數據轉換器數據表通常建議將模擬和數字接地捆綁在器件上。但是，設計人員有時(shí)想而有時(shí)又不想讓數據轉換器成為系統的星形接地點(diǎn)。我們應該如何做呢？
如圖1所示，混合信號IC內的接地一般會(huì )保持獨立，目的是避免數字信號耦合進(jìn)入模擬電路。對于連接芯片上焊墊至封裝引腳相關(guān)的內部電感和電阻（相比電感可忽略不計），IC設計人員沒(méi)有一點(diǎn)辦法?？焖僮兓臄底蛛娏髟跀底蛛娐分挟a(chǎn)生電壓（di/dt），其不可避免地會(huì )通過(guò)雜散電容耦合進(jìn)入模擬電路。
若不考慮這類(lèi)耦合，IC可以工作得很好。但是，為了防止進(jìn)一步的耦合，我們應使用最短的導線(xiàn)，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(huì )引起更多的數字噪聲，而其反過(guò)來(lái)又會(huì )通過(guò)雜散電容讓更多的數字噪聲耦合進(jìn)入模擬電路。
模擬還是數字接地層，又或者兩者兼有？
為什么需要接地層？如果一條總線(xiàn)線(xiàn)路用作接地而非層，則必須進(jìn)行計算才能確定總線(xiàn)線(xiàn)路的壓降，因為大多數邏輯轉換等效頻率的阻抗。這種壓降造成系統最終精確度誤差。要實(shí)現一個(gè)接地層，雙面PCB的一面由連續銅材料組成，用作接地。由于使用大面積、扁平化導體方式，大量金屬材料實(shí)現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字或者模擬信號通過(guò)傳輸線(xiàn)路（微波傳輸帶或者帶狀線(xiàn)）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字接地，那么我們應該將它們連接到模擬接地層、數字接地層還是兩個(gè)都連呢？
請記住，數據轉換器是模擬的！因此，AGND和DGND引腳應連接至模擬接地層。如果它們被連接至數字接地層，則模擬輸入信號將出現數字噪聲，因為它可能為單端，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(huì )把少量數字噪聲注入其中，并降低輸出邏輯的噪聲余量。這是因為，輸出邏輯現在參考模擬接地層，并且所有其它邏輯均參考數字接地層。但是，這些電流應為非常小，并且通過(guò)確保轉換器輸出不驅動(dòng)大扇出得到最小化。
可能的情況是，設計使用器件的數字電流可低可高。兩種情況的接地方案并不相同。一般而言，數據轉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據轉換器，正變得越來(lái)越數字化。隨著(zhù)數字電路的增加，數字電流和噪聲也隨之增加。例如，∑-△ADC包含一個(gè)復雜的數字濾波器，其相當大地增加了器件的數字電流。
低數字電流數據轉換器接地
正如我們講的那樣，數據轉換器（或者任何混合信號器件）均為模擬。在所有系統中，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，數字信號層擁有所有數字數據處理電路。模擬與數字接地層應有同各自信號層相同的尺寸和形狀。
圖2概述了低數字電流混合信號器件接地的方法。該模擬接地層沒(méi)有被損壞，因為小數字瞬態(tài)電流存在于本地去耦電容器VDig和DGND（綠線(xiàn)）之間的小型環(huán)路中。圖2還顯示了一個(gè)位于模擬和數字電源之間的濾波器。共有兩類(lèi)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)。
高數字電流數據轉換器接地
圖2所示電路靠VDig和DGND之間的去耦電容器來(lái)使數字瞬態(tài)電流隔離在小環(huán)路中。但是，如果數字電流足夠大，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)路之外的任何數字電流，必須流經(jīng)模擬接地層。這可能會(huì )降低性能，特別是在高分辨率系統中更是如此。圖3顯示了一種適用于強數字電流混合信號器件的替代接地方法。數據轉換器的AGND引腳連接至模擬接地層，而DGND引腳則連接至數字接地層。數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(guò)大，否則會(huì )降低內部噪聲余量，或者引起內部模擬電路損壞。
模擬和數字接地層的連接
圖2和3顯示了連接模擬和數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(huì )損壞混合信號IC，因為它們直接出現在A(yíng)GND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(huì )引入討厭的DC接地環(huán)路，其可能不適合于高分辨率系統。只要在高數字電流IC特殊情況下AGND和DGND引腳被隔離，則在必要時(shí)應將它們連接在一起。
跳線(xiàn)和/或帶選項允許我們嘗試兩種方法，以驗證哪種方法能夠獲得最佳總系統性能。
隔離還是分割：哪一種對接地層重要？
一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是如何隔離接地，以讓模擬電路不干擾數字電路。眾所周知，數字電路噪聲較大。開(kāi)關(guān)期間，邏輯飽和從其電流吸引強、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(huì )干擾數字邏輯。相反，可能的情況是，高速數字邏輯可能會(huì )干擾低級模擬電路。因此，這個(gè)問(wèn)題應該是如何防止數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A(yíng)GND。盡管分割層方法可以起作用，但它存在許多問(wèn)題—特別是在一些大型、復雜系統中。
共有兩條基本的電磁兼容（EMC）原則：
1、 電流應返回其本地源，并且要盡可能地緊湊。否則，應構建環(huán)路天線(xiàn)。
2、 一個(gè)系統應只有一個(gè)基準層，因為兩個(gè)基準會(huì )形成一個(gè)偶極天線(xiàn)。
在EMC測試期間，當在接地或者電源層中某個(gè)插槽或者縫隙之間布置線(xiàn)路時(shí)可觀(guān)察到大多數問(wèn)題。由于這種布線(xiàn)會(huì )引起輻射和串擾問(wèn)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(dòng)以及流向何處。大多數設計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(dòng)。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(guò)的面積越大，電感也就越大。最小電感路徑直接靠近線(xiàn)路。因此，不管是哪一層—電源或者接地—返回電流都在與線(xiàn)路相鄰的層上流動(dòng)。電流在該層內會(huì )微有擴散，并且保持在線(xiàn)路下面。本質(zhì)上而言，其精確分布情況與高斯曲線(xiàn)類(lèi)似。圖4表明，返回電流直接位于信號線(xiàn)路下面。這會(huì )形成一條最小阻抗的路徑。
返回路徑的電流分布曲線(xiàn)為：
本文是系列文章（共2部分）的第2部分?；旌闲盘栂到y接地揭秘（一）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。
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)。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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