混合信號(hào)系統(tǒng)接地揭秘之第二部分

21ic訊 本文是系列文章(共2部分)的第2部分。第1部分(見參考1)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(shè)兩個(gè)層在某處連接(通過在一個(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

通過分割層傳輸信號(hào)的其它方法是使用光隔離器(通過光)、變壓器(通過磁場(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)品說明書都說明了相對(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(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。

圖8 多卡系統(tǒng)的接地方案

第二種方法即單點(diǎn)星形接地，通常用于具有單獨(dú)模擬和數(shù)字接地系統(tǒng)的高速混合信號(hào)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

1、《混合信號(hào)系統(tǒng)接地揭秘之第1部分》，作者：Sanjay Pithadia和Shridhar More，刊發(fā)于《模擬應(yīng)用雜志》(2013年第1季度)

2、《混合信號(hào)PCB的分區(qū)與布局》，作者H.W. Ott，刊發(fā)于2001年6月《印制電路板設(shè)計(jì)》第8-11頁。

3、《模數(shù)轉(zhuǎn)換器接地方法對(duì)系統(tǒng)性能的影響》，刊發(fā)于《應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)》

4、《鐵氧體磁珠》，刊發(fā)于2000年10月12日《EDN》博客，作者：Howard Johnson。