混合信號系統接地揭秘之第一部分

圖2所示電路靠VDig和DGND之間的去耦電容器來(lái)使數字瞬態(tài)電流隔離在小環(huán)路中。但是，如果數字電流足夠大，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中更是如此。圖3顯示了一種適用于強數字電流混合信號器件的替代接地方法。數據轉換器的AGND引腳連接至模擬接地層，而DGND引腳則連接至數字接地層。數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 )降低內部噪聲余量，或者引起內部模擬電路損壞。

模擬和數字接地層的連接

圖2和3顯示了連接模擬和數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IC，因為它們直接出現在A(yíng)GND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，并在數兆赫茲頻率時(shí)對其進(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。只要在高數字電流IC特殊情況下AGND和DGND引腳被隔離，則在必要時(shí)應將它們連接在一起。

跳線(xiàn)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性能。

隔離還是分割：哪一種對接地層重要?

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字電路。眾所周知，數字電路噪聲較大。開(kāi)關(guān)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(huì )干擾數字邏輯。相反，可能的情況是，高速數字邏輯可能會(huì )干擾低級模擬電路。因此，這個(gè)問(wèn)題應該是如何防止數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A(yíng)GND。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、復雜系統中。

圖 3 高內部數字電流數據轉換器接地

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，應構建環(huán)路天線(xiàn)。

2、 一個(gè)系統應只有一個(gè)基準層，因為兩個(gè)基準會(huì )形成一個(gè)偶極天線(xiàn)。

在EMC測試期間，當在接地或者電源層中某個(gè)插槽或者縫隙之間布置線(xiàn)路時(shí)可觀(guān)察到大多數問(wèn)題。由于這種布線(xiàn)會(huì )引起輻射和串擾問(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(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(xiàn)路。因此，不管是哪一層—電源或者接地—返回電流都在與線(xiàn)路相鄰的層上流動(dòng)。電流在該層內會(huì )微有擴散，并且保持在線(xiàn)路下面。本質(zhì)上而言，其精確分布情況與高斯曲線(xiàn)類(lèi)似。圖4表明，返回電流直接位于信號線(xiàn)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(xiàn)為：

IO為總信號電流(A)，h為線(xiàn)路厚度(cm)，而D為距離線(xiàn)路的長(cháng)度(cm)。由該方程式我們可知道，數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。

就基準層而言，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(xiàn)最有可能會(huì )引起電流的電磁場(chǎng)，干擾其它信號線(xiàn)路的磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生串擾問(wèn)題。另外，這種障礙會(huì )對它上面的線(xiàn)路阻抗產(chǎn)生不利影響，導致不連續以及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)明多轉換器和多板系統的接地方法。

圖 5 有無(wú)插槽兩種情況的返回電流