混合信號系統(tǒng)接地揭秘之第一部分

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) 和/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。第2部分將出現(xiàn)在《模擬應用期刊》的后續(xù)期刊中。

在系統(tǒng)設計中經(jīng)常使用的一個術語是星形接地。這個術語的意思是，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。

圖 1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的 AGND 和 DGND 引腳

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)。

圖 2 低內(nèi)部數(shù)字電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接地

高數(shù)字電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接地