混合信號(hào)系統(tǒng)接地揭秘之第二部分

　　作者：德州儀器（TI）模擬應(yīng)用工程師Sanjay Pithadia

　　和高級(jí)模擬應(yīng)用工程師Shridhar More

　　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業(yè)術(shù)語(yǔ)和接地層，并介紹了分區(qū)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(zhuǎn)換器和多板系統(tǒng)接地。

【混合信號(hào)系統(tǒng)接地揭秘之第一部分】
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　　如果分割接地層并且線路穿過(guò)分割線（如圖1所示），那么電流返回通路在哪里呢？假設(shè)兩個(gè)層在某處連接（通過(guò)在一個(gè)單獨(dú)點(diǎn)），則返回電流必在該大型環(huán)路內(nèi)流動(dòng)。大型環(huán)路內(nèi)的高頻電流產(chǎn)生輻射和高接地電感。大型環(huán)路內(nèi)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(hào)線跡

　　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(shì)下使用長(zhǎng)線纜連接的模擬和數(shù)字接地層，形成一個(gè)非常有效的偶極天線。

　　圖2? 在電源位置連接的分割層

　　首選使用一個(gè)持續(xù)接地層以避免這種長(zhǎng)接地環(huán)路，但是如果使用分割接地層絕對(duì)必要并且線路穿過(guò)分割線，則各層應(yīng)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(duì)所有線路進(jìn)行布局，讓它們穿過(guò)該橋，直接在每條線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(yīng)用是權(quán)衡何時(shí)使用高分辨率（≥20-bit）Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

　　圖3 線路接地層橋接

　　通過(guò)分割層傳輸信號(hào)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(hào)（信號(hào)沿一條線路傳輸，然后在另一條線路上返回，無(wú)需返回電流接地）。

　　一種更好的方法是“分區(qū)”。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(shù)字部分（參見(jiàn)圖4b）。模擬信號(hào)必須安排在板的模擬部分，而數(shù)字信號(hào)必須安排在板的數(shù)字部分，并且所有層上都有這兩個(gè)部分。在這種情況下，數(shù)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(shù)字信號(hào)線跡下面。圖4比較了一個(gè)分割層和一個(gè)分區(qū)層。

　　圖4 接地層布局

　　分區(qū)方法存在的唯一問(wèn)題是，當(dāng)模擬信號(hào)錯(cuò)誤地安排在板的數(shù)字部分（反之亦然）時(shí)則難以有效，如圖5所示。因此，對(duì)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(shù)字部分，然后運(yùn)用信號(hào)安排原則。

　　圖5 錯(cuò)誤安排的數(shù)字信號(hào)線跡

　　在一塊單獨(dú)板上使用多個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)的接地

　　大多數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品說(shuō)明書都說(shuō)明了相對(duì)于單一PCB的接地方法，并且通常為制造廠商自己的評(píng)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(shù)字層。我們還建議，把轉(zhuǎn)換器的模擬接地（AGND）和數(shù)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(shù)字接地層，如圖6所示。最終，在混合信號(hào)器件處形成系統(tǒng)的星形接地點(diǎn)。正如第1部分文章介紹的那樣，測(cè)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(cè)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(hào)器件

　　所有有噪數(shù)字電流均通過(guò)數(shù)字電源流至數(shù)字接地層，然后再返回至數(shù)字電源，以此來(lái)隔離于電路板的敏感模擬部分。模擬和數(shù)字接地層在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器處交匯在一起時(shí)，形成系統(tǒng)的星形接地點(diǎn)。這種方法在使用單獨(dú)PCB和單個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)易系統(tǒng)中一般有效，但是它并不是很適合于多卡和多轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。如果不同PCB上有幾個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這種方法便無(wú)效，因?yàn)槟M和數(shù)字接地系統(tǒng)在PCB上每個(gè)轉(zhuǎn)換器處都交匯在一起，形成許多接地環(huán)路。

　　假設(shè)一個(gè)設(shè)計(jì)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(shù)字接地層應(yīng)固定連接在所有ADC和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）芯片下面。AGND和DGND引腳應(yīng)相互連接，并且連接模擬接地層，同時(shí)模擬和數(shù)字接地層應(yīng)單獨(dú)連接回電源。電源應(yīng)進(jìn)入數(shù)字分區(qū)電路板，并直接給數(shù)字電路供電，然后經(jīng)過(guò)濾波或者調(diào)節(jié)以后給模擬電路供電。這樣，應(yīng)僅把數(shù)字接地層連接回電源。圖7顯示了經(jīng)過(guò)分區(qū)的模擬和數(shù)字接地層，以及多數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(hào)系統(tǒng)

　　設(shè)計(jì)人員開(kāi)始把單卡接地概念應(yīng)用于多卡系統(tǒng)，這增加了人們對(duì)于混合信號(hào)接地的困惑。在一些不同PCB上具有數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)內(nèi)，模擬和數(shù)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(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

　　最小化多卡系統(tǒng)內(nèi)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(xù)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(yīng)連接底層母板的接地層。完成整個(gè)系統(tǒng)接地方案，共有兩種可能性：

　　1、底層的接地層在無(wú)數(shù)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(tǒng)（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(shù)字系統(tǒng)，但也可用于混合信號(hào)系統(tǒng)，前提條件是數(shù)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(yīng)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?yàn)槠浔砻鏁?huì)起到一個(gè)隔離器的作用。