引言
所有信號處理系統(tǒng)都要求混合信號器件，例如：模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 等。對于寬動態(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(shù)字環(huán)境下保持性能，依賴于優(yōu)秀的電路設計方法，例如：正確的信號布局、去耦和接地等。
毫無疑問，在系統(tǒng)設計中，接地是我們討論最多的話題之一。盡管基本概念十分簡單，但實現(xiàn)起來卻并不容易。就線性系統(tǒng)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(tǒng)中電源電流的返回通路。錯誤的接地方法會降低高精度線性系統(tǒng)的性能。沒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容易引發(fā)問題的方面。
本系列文章將為您詳細介紹混合信號系統(tǒng)使用的一些接地方法，它共分兩個部分，本文為第一部分。第1部分為您解釋說明一些常用的術(shù)語和接地層，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。
在系統(tǒng)設計中經(jīng)常使用的一個術(shù)語是星形接地。這個術(shù)語的意思是，某個電路中所有電壓均指一個單接地點，也即星形接地點。它的關鍵特性是，在接地網(wǎng)絡中，對特定點的所有電壓進行測量，而不僅僅是某個非定義接地（不管探針定在何處）。特別需要指出，這種方法實現(xiàn)起來很困難。例如，在一個星形接地系統(tǒng)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，會帶來實現(xiàn)問題。當給電路添加電源時，它們會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(shù)字和模擬設計工程師們往往會從各個不同角度來查看混合信號器件，但每名使用混合信號器件的工程師都會注意到模擬接地 (AGND) 和數(shù)字接地 (DGND)。對于如何處理這些接地，許多人感到困惑，而多數(shù)困惑均來自于如何標示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，設計人員有時想而有時又不想讓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為系統(tǒng)的星形接地點。我們應該如何做呢？
如圖1所示，混合信號IC內(nèi)的接地一般會保持獨立，目的是避免數(shù)字信號耦合進入模擬電路。對于連接芯片上焊墊至封裝引腳相關的內(nèi)部電感和電阻（相比電感可忽略不計），IC設計人員沒有一點辦法?？焖僮兓臄?shù)字電流在數(shù)字電路中產(chǎn)生電壓（di/dt），其不可避免地會通過雜散電容耦合進入模擬電路。
若不考慮這類耦合，IC可以工作得很好。但是，為了防止進一步的耦合，我們應使用最短的導線，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連接中任何一點外部阻抗都會引起更多的數(shù)字噪聲，而其反過來又會通過雜散電容讓更多的數(shù)字噪聲耦合進入模擬電路。
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，則必須進行計算才能確定總線線路的壓降，因為大多數(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。要實現(xiàn)一個接地層，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、扁平化導體方式，大量金屬材料實現(xiàn)最低程度電阻和電感。
接地層起到一個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)字或者模擬信號通過傳輸線路（微波傳輸帶或者帶狀線）方法進行傳輸，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，那么我們應該將它們連接到模擬接地層、數(shù)字接地層還是兩個都連呢？
請記住，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)字接地層，則模擬輸入信號將出現(xiàn)數(shù)字噪聲，因為它可能為單端，并且參考模擬接地層。連接這兩個引腳至靜態(tài)模擬接地層，會把少量數(shù)字噪聲注入其中，并降低輸出邏輯的噪聲余量。這是因為，輸出邏輯現(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，這些電流應為非常小，并且通過確保轉(zhuǎn)換器輸出不驅(qū)動大扇出得到最小化。
可能的情況是，設計使用器件的數(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包含一個復雜的數(shù)字濾波器，其相當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（或者任何混合信號器件）均為模擬。在所有系統(tǒng)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(shù)字信號層擁有所有數(shù)字數(shù)據(jù)處理電路。模擬與數(shù)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(shù)字電流混合信號器件接地的方法。該模擬接地層沒有被損壞，因為小數(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，其與電源連接點串聯(lián)。
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數(shù)字電流混合信號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大，否則會降低內(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層之間形成。如果其超出0.3V，這些電壓可能會損壞混合信號IC，因為它們直接出現(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層之間提供一個DC連接，并在數(shù)兆赫茲頻率時對其進行隔離，此時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，則在必要時應將它們連接在一起。
跳線和/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(tǒng)性能。
隔離還是分割：哪一種對接地層重要？
一個常見問題是如何隔離接地，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。開關期間，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)字邏輯可能會干擾低級模擬電路。因此，這個問題應該是如何防止數(shù)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AGND。盡管分割層方法可以起作用，但它存在許多問題—特別是在一些大型、復雜系統(tǒng)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(gòu)建環(huán)路天線。
2、 一個系統(tǒng)應只有一個基準層，因為兩個基準會形成一個偶極天線。
在EMC測試期間，當在接地或者電源層中某個插槽或者縫隙之間布置線路時可觀察到大多數(shù)問題。由于這種布線會引起輻射和串擾問題，因此我們不建議使用。
重要的是，清楚地知道某個分割層中的接地電流如何流動以及流向何處。大多數(shù)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。高頻信號有一個特點：沿阻抗（電感）最低的路徑流動。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。電流在該層內(nèi)會微有擴散，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線路下面。這會形成一條最小阻抗的路徑。
返回路徑的電流分布曲線為：
本文是系列文章（共2部分）的第2部分。混合信號系統(tǒng)接地揭秘（一）為你解釋了一些典型專業(yè)術(shù)語和接地層，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。
如果分割接地層并且線路穿過分割線（如圖1所示），那么電流返回通路在哪里呢？假設兩個層在某處連接（通過在一個單獨點），則返回電流必在該大型環(huán)路內(nèi)流動。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。
如果兩個層僅在電源處連接（圖2），則返回電流被迫直接流回電源接地，這是一個真正的大型環(huán)路！另外，不幸的是，不同RF電勢下使用長線纜連接的模擬和數(shù)字接地層，形成一個非常有效的偶極天線。
首選使用一個持續(xù)接地層以避免這種長接地環(huán)路，但是如果使用分割接地層絕對必要并且線路穿過分割線，則各層應首先在一個位置連接，以形成一個返回電流的橋（圖3）。對所有線路進行布局，讓它們穿過該橋，直接在每條線路下面提供一條返回通路，從而產(chǎn)生一個非常小的環(huán)路面積。這種方法的典型應用是權(quán)衡何時使用高分辨率（≥20-bit）Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。
通過分割層傳輸信號的其它方法是使用光隔離器（通過光）、變壓器（通過磁場）或者一個真正的差動信號（信號沿一條線路傳輸，然后在另一條線路上返回，無需返回電流接地）。
一種更好的方法是“分區(qū)”。僅使用一個接地層始終為首選，把PCB劃分為模擬部分和數(shù)字部分（參見圖4b）。模擬信號必須安排在板的模擬部分，而數(shù)字信號必須安排在板的數(shù)字部分，并且所有層上都有這兩個部分。在這種情況下，數(shù)字返回電流不會存在于接地層的模擬部分，并且保持在數(shù)字信號線跡下面。圖4比較了一個分割層和一個分區(qū)層。
分區(qū)方法存在的唯一問題是，當模擬信號錯誤地安排在板的數(shù)字部分（反之亦然）時則難以有效，如圖5所示。因此，對于所有PCB布局而言，重點是使用一個單個接地層，把它劃分為模擬和數(shù)字部分，然后運用信號安排原則。
在一塊單獨板上使用多個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時的接地
大多數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品說明書都說明了相對于單一PCB的接地方法，并且通常為制造廠商自己的評估板。一般而言，我們建議把PCB接地層分割為一個模擬層和一個數(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，并且在同一個點連接模擬和數(shù)字接地層，如圖6所示。最終，在混合信號器件處形成系統(tǒng)的星形接地點。正如第1部分文章介紹的那樣，測量出與該特定點相關的電路所有電壓，而不僅僅只是一些讓測量探針跳動的未定義接地。
所有有噪數(shù)字電流均通過數(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，形成系統(tǒng)的星形接地點。這種方法在使用單獨PCB和單個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的簡易系統(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上有幾個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這種方法便無效，因為模擬和數(shù)字接地系統(tǒng)在PCB上每個轉(zhuǎn)換器處都交匯在一起，形成許多接地環(huán)路。
假設一個設計人員正在使用一塊擁有3個DAC和2個ADC的8層PCB。為了最小化噪聲，模擬和數(shù)字接地層應固定連接在所有ADC和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）芯片下面。AGND和DGND引腳應相互連接，并且連接模擬接地層，同時模擬和數(shù)字接地層應單獨連接回電源。電源應進入數(shù)字分區(qū)電路板，并直接給數(shù)字電路供電，然后經(jīng)過濾波或者調(diào)節(jié)以后給模擬電路供電。這樣，應僅把數(shù)字接地層連接回電源。圖7顯示了經(jīng)過分區(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。
多卡混合信號系統(tǒng)
設計人員開始把單卡接地概念應用于多卡系統(tǒng)，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(shù)個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)內(nèi)，模擬和數(shù)字接地層在幾個點連接，帶來形成接地環(huán)路的可能性，并且使單點星形接地系統(tǒng)無法實現(xiàn)。
最小化多卡系統(tǒng)內(nèi)接地阻抗的最佳方法是，把一個母板PCB用作兩個卡之間互連的底層。這樣便可為底板提供一個連續(xù)的接地層。PCB連接器至少有30%到40%的引腳用于接地。這些引腳應連接底層母板的接地層。完成整個系統(tǒng)接地方案，共有兩種可能性：
1、 底層的接地層在無數(shù)個點連接底板接地，讓各種接地電流返回通路四散。它一般指的是多點接地系統(tǒng)（圖8）。
2、 接地層連接至單個星形接地點（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應具有良好的狀態(tài)，這一點很關鍵。它要求自動攻絲金屬片螺釘或者咬式墊圈。陽極氧化鋁用于底板材料時需特別小心，因為其表面會起到一個隔離器的作用。
第二種方法即單點星形接地，通常用于具有單獨模擬和數(shù)字接地系統(tǒng)的高速混合信號系統(tǒng)。
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