混合信號(hào)系統(tǒng)接地揭秘之第一部分

引言

所有信號(hào)處理系統(tǒng)都要求混合信號(hào)器件，例如：模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和/或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 等。對(duì)于寬動(dòng)態(tài)范圍模擬信號(hào)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(hào)布局、去耦和接地等。

毫無(wú)疑問(wèn)，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(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻并不容易。就線性系統(tǒng)而言，接地是信號(hào)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(huì)降低高精度線性系統(tǒng)的性能。沒(méi)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(wèn)題的方面。

本系列文章將為您詳細(xì)介紹混合信號(hào)系統(tǒng)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(zhuǎn)換器和多板的一些系統(tǒng)的接地情況。第2部分將出現(xiàn)在《模擬應(yīng)用期刊》的后續(xù)期刊中。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)特定點(diǎn)的所有電壓進(jìn)行測(cè)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(lái)很困難。例如，在一個(gè)星形接地系統(tǒng)中，為了最小化信號(hào)相互作用和高阻抗信號(hào)或接地通路產(chǎn)生的效應(yīng)而擬定出所有信號(hào)通路，會(huì)帶來(lái)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)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(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(hào)傳輸。

圖 1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的 AGND 和 DGND 引腳

混合信號(hào)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(huì)從各個(gè)不同角度來(lái)查看混合信號(hào)器件，但每名使用混合信號(hào)器件的工程師都會(huì)注意到模擬接地 (AGND) 和數(shù)字接地 (DGND)。對(duì)于如何處理這些接地，許多人感到困惑，而多數(shù)困惑均來(lái)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(hào)IC內(nèi)的接地一般會(huì)保持獨(dú)立，目的是避免數(shù)字信號(hào)耦合進(jìn)入模擬電路。對(duì)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(méi)有一點(diǎn)辦法?？焖僮兓臄?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(huì)通過(guò)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(huì)引起更多的數(shù)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(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(duì)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(hào)通過(guò)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(qǐng)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(hào)將出現(xiàn)數(shù)字噪聲，因?yàn)樗赡転閱味?，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(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(guò)確保轉(zhuǎn)換器輸出不驅(qū)動(dòng)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(lái)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。

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(hào)器件)均為模擬。在所有系統(tǒng)中，模擬信號(hào)層都位于所有模擬電路和混合信號(hào)器件放置的地方。同樣，數(shù)字信號(hào)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(hào)層相同的尺寸和形狀。

圖2概述了低數(shù)字電流混合信號(hào)器件接地的方法。該模擬接地層沒(méi)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(lái)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(huì)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(hào)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(guò)大，否則會(huì)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(huì)損壞混合信號(hào)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(duì)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(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(duì)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(shù)字電路。眾所周知，數(shù)字電路噪聲較大。開(kāi)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(huì)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(huì)干擾低級(jí)模擬電路。因此，這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該是如何防止數(shù)字邏輯接地電流污染混合信號(hào)PCB上的低級(jí)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(wèn)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(huì)形成一個(gè)偶極天線。

在EMC測(cè)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(wèn)題。由于這種布線會(huì)引起輻射和串?dāng)_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(shù)設(shè)計(jì)人員只想到了信號(hào)電流流向何處，而忽略了返回電流的路徑。高頻信號(hào)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(dòng)。電流在該層內(nèi)會(huì)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(hào)線路下面。這會(huì)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(hào)電流(A)，h為線路厚度(cm)，而D為距離線路的長(zhǎng)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(huì)損壞模擬信號(hào)。

就基準(zhǔn)層而言，過(guò)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(huì)另尋路徑繞過(guò)它，如圖5所示。但是，這種布線最有可能會(huì)引起電流的電磁場(chǎng)，干擾其它信號(hào)線路的磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生串?dāng)_問(wèn)題。另外，這種障礙會(huì)對(duì)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(shuō)明多轉(zhuǎn)換器和多板系統(tǒng)的接地方法。

圖 5 有無(wú)插槽兩種情況的返回電流