混合信号系统接地揭秘之第二部分 文章, 专业

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作者：德州仪器 (TI) 模拟应用工程师Sanjay Pithadia和高级模拟应用工程师Shridhar More

本文是系列文章（共2部分）的第2部分。第1部分（见参考1）为你解释了一些典型专业术语和接地层，并介绍了分区方法。第2部分将讨论分割接地层的利弊。另外，文章还将解释多转换器和多板系统接地。

如果分割接地层并且线路穿过分割线（如图1所示），那么电流返回通路在哪里呢？假设两个层在某处连接（通过在一个单独点），则返回电流必在该大型环路内流动。大型环路内的高频电流产生辐射和高接地电感。大型环路内的低电平模拟电流易受干扰的影响。



图1 穿过接地层分割的信号线迹

如果两个层仅在电源处连接（图2），则返回电流被迫直接流回电源接地，这是一个真正的大型环路！另外，不幸的是，不同RF电势下使用长线缆连接的模拟和数字接地层，形成一个非常有效的偶极天线。



图2在电源位置连接的分割层

首选使用一个持续接地层以避免这种长接地环路，但是如果使用分割接地层绝对必要并且线路穿过分割线，则各层应首先在一个位置连接，以形成一个返回电流的桥（图3）。对所有线路进行布局，让它们穿过该桥，直接在每条线路下面提供一条返回通路，从而产生一个非常小的环路面积。这种方法的典型应用是权衡何时使用高分辨率（≥20-bit）Σ-Δ模数转换器（ADC）。



图3 线路接地层桥接

通过分割层传输信号的其它方法是使用光隔离器（通过光）、变压器（通过磁场）或者一个真正的差动信号（信号沿一条线路传输，然后在另一条线路上返回，无需返回电流接地）。

一种更好的方法是“分区”。仅使用一个接地层始终为首选，把PCB划分为模拟部分和数字部分（参见图4b）。模拟信号必须安排在板的模拟部分，而数字信号必须安排在板的数字部分，并且所有层上都有这两个部分。在这种情况下，数字返回电流不会存在于接地层的模拟部分，并且保持在数字信号线迹下面。图4比较了一个分割层和一个分区层。



图4 接地层布局

分区方法存在的唯一问题是，当模拟信号错误地安排在板的数字部分（反之亦然）时则难以有效，如图5所示。因此，对于所有PCB布局而言，重点是使用一个单个接地层，把它划分为模拟和数字部分，然后运用信号安排原则。



图5 错误安排的数字信号线迹

在一块单独板上使用多个数据转换器时的接地

大多数数据转换器的产品说明书都说明了相对于单一PCB的接地方法，并且通常为制造厂商自己的评估板。一般而言，我们建议把PCB接地层分割为一个模拟层和一个数字层。我们还建议，把转换器的模拟接地（AGND）和数字接地（DGND）引脚放在一起，并且在同一个点连接模拟和数字接地层，如图6所示。最终，在混合信号器件处形成系统的星形接地点。正如第1部分文章介绍的那样，测量出与该特定点相关的电路所有电压，而不仅仅只是一些让测量探针跳动的未定义接地。



图6单块PCB上的接地混合信号器件

所有有噪数字电流均通过数字电源流至数字接地层，然后再返回至数字电源，以此来隔离于电路板的敏感模拟部分。模拟和数字接地层在数据转换器处交汇在一起时，形成系统的星形接地点。这种方法在使用单独PCB和单个数据转换器的简易系统中一般有效，但是它并不是很适合于多卡和多转换器系统。如果不同PCB上有几个数据转换器，这种方法便无效，因为模拟和数字接地系统在PCB上每个转换器处都交汇在一起，形成许多接地环路。

假设一个设计人员正在使用一块拥有3个DAC和2个ADC的8层PCB。为了最小化噪声，模拟和数字接地层应固定连接在所有ADC和数模转换器（DAC）芯片下面。AGND和DGND引脚应相互连接，并且连接模拟接地层，同时模拟和数字接地层应单独连接回电源。电源应进入数字分区电路板，并直接给数字电路供电，然后经过滤波或者调节以后给模拟电路供电。这样，应仅把数字接地层连接回电源。图7显示了经过分区的模拟和数字接地层，以及多数据转换器PCB的电源连接。



图7 多ADC的PCB电源与接地

多卡混合信号系统

设计人员开始把单卡接地概念应用于多卡系统，这增加了人们对于混合信号接地的困惑。在一些不同PCB上具有数个数据转换器的系统内，模拟和数字接地层在几个点连接，带来形成接地环路的可能性，并且使单点星形接地系统无法实现。

最小化多卡系统内接地阻抗的最佳方法是，把一个母板PCB用作两个卡之间互连的底层。这样便可为底板提供一个连续的接地层。PCB连接器至少有30%到40%的引脚用于接地。这些引脚应连接底层母板的接地层。完成整个系统接地方案，共有两种可能性：

1、    底层的接地层在无数个点连接底板接地，让各种接地电流返回通路四散。它一般指的是多点接地系统（图8）。
2、    接地层连接至单个星形接地点（通常在电源处）。
3、    第一种方法常常用于全数字系统，但也可用于混合信号系统，前提条件是数字电路的接地电流足够低，并且散布于一个较大的面积上。

PCB、底层和最终的底板都维持低接地阻抗。但是，接地连接金属片底板的电气触点应具有良好的状态，这一点很关键。它要求自动攻丝金属片螺钉或者咬式垫圈。阳极氧化铝用于底板材料时需特别小心，因为其表面会起到一个隔离器的作用。



图8 多卡系统的接地方案

第二种方法即单点星形接地，通常用于具有单独模拟和数字接地系统的高速混合信号系统。

参考文献
1、《混合信号系统接地揭秘之第1部分》，作者：Sanjay Pithadia和Shridhar More，刊发于《模拟应用杂志》（2013年第1季度），网址：www.ti.com/slyt49 9-aaj
2、《混合信号PCB的分区与布局》，作者H.W. Ott，刊发于2001年6月《印制电路板设计》第8-11页。
3、《模数转换器接地方法对系统性能的影响》，刊发于《应用简报》，网址：www.ti.com/sbaa052-aaj
4、《铁氧体磁珠》，刊发于2000年10月12日《EDN》博客，作者：Howard Johnson。

相关网站
数据转换器：www.ti.com/dc-aaj
精密数据转换器接地举例，请访问：www.ti.com/e2egrounding-aaj
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