混合信號系統接地揭秘之第一部分

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) 和/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。第2部分將出現在《模擬應用期刊》的后續期刊中。

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。

圖 1 數據轉換器中的 AGND 和 DGND 引腳

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)。

圖 2 低內部數字電流數據轉換器接地

高數字電流數據轉換器接地