一文詳解模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的AGND和DGND

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團(tuán)

1.為什要區(qū)分AGND和DGND？

2.接地層電源層

3.低頻和高頻去耦

4.雙面和多層印刷電路板

5.多卡混合信號(hào)系統(tǒng)

6.分離模擬和數(shù)字接地層

7.具有低數(shù)字電流的接地和去耦混合信號(hào)IC

8.小心對(duì)待ADC數(shù)字輸出

9.采樣時(shí)鐘考量

10.混合信號(hào)接地的困惑根源：對(duì)多卡系統(tǒng)應(yīng)用單卡接地概念

11.接地總結(jié)

資料參考ADI官網(wǎng)技術(shù)指南《MT-101》

7.具有低數(shù)字電流的接地和去耦混合信號(hào)IC

敏感的模擬元件，例如放大器和基準(zhǔn)電壓源，必須參考和去耦至模擬接地層。具有低數(shù)字電流的 ADC 和 DAC（和其他混合信號(hào) IC）一般應(yīng)視為模擬元件，同樣接地并去耦至模擬接地層。乍看之下，這一要求似乎有些矛盾，因?yàn)?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器具有模擬和數(shù)字接口，且通常有指定為模擬接地 (AGND) 和數(shù)字接地 (DGND) 的引腳。圖 5 中的圖示有助于解釋這一表面困境。

同時(shí)具有模擬和數(shù)字電路的 IC（例如 ADC 或 DAC）內(nèi)部，接地通常保持獨(dú)立，以免將數(shù)字信號(hào)耦合至模擬電路內(nèi)。圖 5 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器模型。將芯片焊盤連接到封裝引腳難免產(chǎn)生線焊電感和電阻，IC 設(shè)計(jì)人員對(duì)此是無(wú)能為力的，心中清楚即可?？焖僮兓臄?shù)字電流在 B 點(diǎn)產(chǎn)生電壓，且必然會(huì)通過(guò)雜散電容 CSTRAY 耦合至模擬電路的 A 點(diǎn)。此外，IC 封裝每個(gè)引腳間約有 0.2 pF 的雜散電容，同樣無(wú)法避免！ IC 設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是排除此影響讓芯片正常工作。不過(guò)，為了防止進(jìn)一步耦合，AGND 和 DGND 應(yīng)通過(guò)最短的引線在外部連在一起，并接到模擬接地層。DGND 連接內(nèi)的任何額外阻抗將在 B 點(diǎn)產(chǎn)生更多數(shù)字噪聲；繼而使更多數(shù)字噪聲通過(guò)雜散電容耦合至模擬電路。請(qǐng)注意，將 DGND 連接到數(shù)字接地層會(huì)在 AGND 和 DGND 引腳兩端施加 VNOISE，帶來(lái)嚴(yán)重問題！IC 上的“DGND”名稱表示此引腳連接到 IC 的數(shù)字地，但并不意味著此引腳必須連接到系統(tǒng)的數(shù)字地。

這種安排確實(shí)可能給模擬接地層注入少量數(shù)字噪聲。但這些電流非常小，只要確保轉(zhuǎn)換器輸出不會(huì)驅(qū)動(dòng)較大扇出（通常不會(huì)如此設(shè)計(jì)）就能降至最低。將轉(zhuǎn)換器數(shù)字端口上的扇出降至最低，還能讓轉(zhuǎn)換器邏輯轉(zhuǎn)換少受振鈴影響，盡可能減少數(shù)字開關(guān)電流，從而降低耦合至轉(zhuǎn)換器模擬端口的可能。通過(guò)插入小型有損鐵氧體磁珠，如圖 5 所示，邏輯電源引腳(VD) 可進(jìn)一步與模擬電源隔離。轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部瞬態(tài)數(shù)字電流將在小環(huán)路內(nèi)流動(dòng)，從 VD 經(jīng)去耦電容到達(dá) DGND（此路徑用圖中粗實(shí)線表示）。因此瞬態(tài)數(shù)字電流不會(huì)出現(xiàn)在外部模擬接地層上，而是局限于環(huán)路內(nèi)。VD 引腳去耦電容應(yīng)盡可能靠近轉(zhuǎn)換器安裝，以便將寄生電感降至最低。這些去耦電容應(yīng)為低電感陶瓷型，通常介于 0.01 μF 和 0.1 μF 之間。

8.小心對(duì)待ADC數(shù)字輸出

將緩沖寄存器放置在轉(zhuǎn)換器旁（如圖 5 所示）不失為好辦法，可將轉(zhuǎn)換器數(shù)字線路與數(shù)據(jù)總線上的噪聲隔離開。寄存器也有助于將轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸出上的負(fù)載降至最低，同時(shí)提供數(shù)字輸出與數(shù)據(jù)總線間的法拉第屏蔽。盡管許多轉(zhuǎn)換器具有三態(tài)輸出 / 輸入，但此隔離寄存器依然代表著一種良好的設(shè)計(jì)方式。某些情況下，可能需要在模擬接地層上緊靠轉(zhuǎn)換器輸出添加額外的緩沖寄存器，以提供更好的隔離。

ADC 輸出與緩沖寄存器輸入間的串聯(lián)電阻（圖 5 中標(biāo)示為“R”）有助于將數(shù)字瞬態(tài)電流降至最低，這些電流可能影響轉(zhuǎn)換器性能。電阻可將數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器與緩沖寄存器輸入的電容隔離開。此外，由串聯(lián)電阻和緩沖寄存器輸入電容構(gòu)成的 RC 網(wǎng)絡(luò)用作低通濾波器，以減緩快速邊沿。

典型 CMOS 柵極與 PCB 走線和通孔結(jié)合在一起，將產(chǎn)生約 10 pF 的負(fù)載。如果無(wú)隔離電阻，1 V/ns 的邏輯輸出壓擺率將產(chǎn)生 10 mA 的動(dòng)態(tài)電流：

驅(qū)動(dòng) 10 pF 的寄存器輸入電容時(shí)，500 Ω 串聯(lián)電阻可將此輸出電流降至最低，并產(chǎn)生約 11ns 的上升和下降時(shí)間：

TTL 寄存器具有較高輸入電容，可略微增加動(dòng)態(tài)開關(guān)電流，應(yīng)避免使用。

緩沖寄存器和其他數(shù)字電路應(yīng)接地并去耦至 PC 板的數(shù)字接地層。請(qǐng)注意，模擬與數(shù)字接地層間的任何噪聲均可降低轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口上的噪聲裕量。由于數(shù)字噪聲抗擾度在數(shù)百或數(shù)千毫伏水平，因此一般不太可能有問題。模擬接地層噪聲通常不高，但如果數(shù)字接地層上的噪聲（相對(duì)于模擬接地層）超過(guò)數(shù)百毫伏，則應(yīng)采取措施減小數(shù)字接地層阻抗，從而將數(shù)字噪聲裕量保持在可接受的水平。任何情況下，兩個(gè)接地層之間的電壓不得超過(guò) 300mV，否則 IC 可能受損。

另外最好分離模擬與數(shù)字電路的電源，即使兩者電壓相同。模擬電源應(yīng)當(dāng)用于為轉(zhuǎn)換器供電。如果轉(zhuǎn)換器具有指定的數(shù)字電源引腳 (VD)，應(yīng)采用獨(dú)立模擬電源供電，或者如圖所示進(jìn)行濾波。所有轉(zhuǎn)換器電源引腳應(yīng)去耦至模擬接地層，所有邏輯電路電源引腳應(yīng)去耦至數(shù)字接地層，如圖 6 所示。

某些情況下，不可能將 VD 連接到模擬電源。一些較新的高速 IC 可能采用 +5 V 電源為模擬電路供電，而采用 +3 V 電源為數(shù)字接口供電，以便與 3 V 邏輯接口。這種情況下，IC的 +3 V 引腳應(yīng)直接去耦至模擬接地層。另外建議將鐵氧體磁珠與電源走線串聯(lián)，以便將引腳連接到 +3 V 數(shù)字邏輯電源。

采樣時(shí)鐘產(chǎn)生電路應(yīng)與模擬電路同樣對(duì)待，也接地并深度去耦至模擬接地層。采樣時(shí)鐘上的相位噪聲會(huì)降低系統(tǒng) SNR，下文將予以討論。

9.采樣時(shí)鐘考量

在高性能采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，應(yīng)使用低相位噪聲振蕩器產(chǎn)生 ADC（或 DAC）采樣時(shí)鐘，因?yàn)椴蓸訒r(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)調(diào)制模擬輸入 / 輸出信號(hào)，并提高噪聲和失真底。采樣時(shí)鐘發(fā)生器應(yīng)與高噪聲數(shù)字電路隔離開，同時(shí)接地并去耦至模擬接地層，與處理運(yùn)算放大器和 ADC 一樣。

采樣時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì) ADC 信噪比的 (SNR) 影響可用以下公式近似計(jì)算：

其中 SNR 是完美無(wú)限分辨率 ADC 的 SNR，此時(shí)唯一的噪聲源來(lái)自均方根采樣時(shí)鐘抖動(dòng) tj。注意，以上公式中的 f 是模擬輸入頻率。通過(guò)簡(jiǎn)單示例可知，如果 tj = 50 ps rms，f = 100 kHz，則 SNR = 90 dB，相當(dāng)于約 15 位的動(dòng)態(tài)范圍。時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì) SNR 的這一影響在教程 MT-007中有詳細(xì)論述。

應(yīng)注意，以上示例中的 tj 是外部時(shí)鐘抖動(dòng)和內(nèi)部 ADC 時(shí)鐘抖動(dòng)（稱為孔徑抖動(dòng)）的方和根 (rss) 值。不過(guò)，在大多數(shù)高性能 ADC 中，內(nèi)部孔徑抖動(dòng)與采樣時(shí)鐘上的抖動(dòng)相比可以忽略。

理想情況下，采樣時(shí)鐘振蕩器應(yīng)參考分離接地系統(tǒng)中的模擬接地層。不過(guò)由于系統(tǒng)限制，此方法未必可行。許多情況下，采樣時(shí)鐘必須從數(shù)字接地層上產(chǎn)生的更高頻率、多用途系統(tǒng)時(shí)鐘獲得，接著必須從數(shù)字接地層上的原點(diǎn)傳遞至模擬接地層上的 ADC。兩層之間的接地噪聲直接添加到時(shí)鐘信號(hào)，并產(chǎn)生過(guò)度抖動(dòng)。抖動(dòng)可造成信噪比降低，還會(huì)產(chǎn)生干擾諧波。

通過(guò)使用圖 7 所示的小 RF 變壓器或高速差分驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī) IC，發(fā)射采樣時(shí)鐘信號(hào)作為差分信號(hào)，可在某種程度上解決此問題。許多高速 ADC 具有差分采樣時(shí)鐘輸入，更便于采用此方法。如果使用有源差分驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)，應(yīng)選擇 ECL、低電平 ECL 或 LVDS，從而將相位抖動(dòng)降至最低。在 +5 V 單電源系統(tǒng)中，ECL 邏輯可連接在地與 +5 V (PECL)電源之間，并將輸出交流耦合至 ADC 采樣時(shí)鐘輸入。不管是哪種情況，原始主系統(tǒng)時(shí)鐘必須從低相位噪聲振蕩器產(chǎn)生，而不是 DSP、微處理器或微控制器的時(shí)鐘輸出。

為了促進(jìn)系統(tǒng)時(shí)鐘管理，ADI 公司提供一系列時(shí)鐘產(chǎn)生和分配產(chǎn)品和全套鎖相環(huán) (PLL)。