高質(zhì)量接地技術(shù)解決辦法（二）

采樣時(shí)鐘考量

在高性能采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，應(yīng)使用低相位噪聲晶體振蕩器產(chǎn)生ADC(或DAC)采樣時(shí)鐘，因?yàn)椴蓸訒r(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)調(diào)制模擬輸入/輸出信號(hào)，并提高噪聲和失真底。采樣時(shí)鐘發(fā)生器應(yīng)與高噪聲數(shù)字電路隔離開(kāi)，同時(shí)接地并去耦至模擬接地層，與處理運(yùn)算放大器和ADC一樣。

采樣時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)ADC信噪比(SNR)的影響可用以下公式4近似計(jì)算：

(4)

其中，f為模擬輸入頻率，SNR為完美無(wú)限分辨率ADC的SNR，此時(shí)唯一的噪聲源來(lái)自rms采樣時(shí)鐘抖動(dòng)tj。通過(guò)簡(jiǎn)單示例可知，如果tj = 50 ps (rms)，f = 100 kHz，則SNR = 90 dB，相當(dāng)于約15位的動(dòng)態(tài)范圍。

應(yīng)注意，以上示例中的tj 實(shí)際上是外部時(shí)鐘抖動(dòng)和內(nèi)部ADC時(shí)鐘抖動(dòng)( 稱(chēng)為孔徑抖動(dòng))的方和根(rss)值。不過(guò)，在大多數(shù)高性能ADC中，內(nèi)部孔徑抖動(dòng)與采樣時(shí)鐘上的抖動(dòng)相比可以忽略。

由于信噪比(SNR)降低主要是由于外部時(shí)鐘抖動(dòng)導(dǎo)致的，因而必須采取措施，使采樣時(shí)鐘盡量無(wú)噪聲，僅具有可能最低的相位抖動(dòng)。這就要求必須使用晶體振蕩器。有多家制造商提供小型晶體振蕩器，可產(chǎn)生低抖動(dòng)(小于5 ps rms)的CMOS兼容輸出。

理想情況下，采樣時(shí)鐘晶體振蕩器應(yīng)參考分離接地系統(tǒng)中的模擬接地層。但是，系統(tǒng)限制可能導(dǎo)致這一點(diǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。許多情況下，采樣時(shí)鐘必須從數(shù)字接地層上產(chǎn)生的更高頻率、多用途系統(tǒng)時(shí)鐘獲得，接著必須從數(shù)字接地層上的原點(diǎn)傳遞至模擬接地層上的ADC。兩層之間的接地噪聲直接添加到時(shí)鐘信號(hào)，并產(chǎn)生過(guò)度抖動(dòng)。抖動(dòng)可造成信噪比降低，還會(huì)產(chǎn)生干擾諧波。

圖7. 從數(shù)模接地層進(jìn)行采樣時(shí)鐘分配。

混合信號(hào)接地的困惑根源

大多數(shù)ADC、DAC和其他混合信號(hào)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)是針對(duì)單個(gè)PCB討論接地，通常是制造商自己的評(píng)估板。將這些原理應(yīng)用于多卡或多ADC/DAC系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)讓人感覺(jué)困惑茫然。通常建議將PCB接地層分為模擬層和數(shù)字層，并將轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND引腳連接在一起，并且在同一點(diǎn)連接模擬接地層和數(shù)字接地層，如圖8所示。這樣就基本在混合信號(hào)器件上產(chǎn)生了系統(tǒng)“星型”接地。所有高噪聲數(shù)字電流通過(guò)數(shù)字電源流入數(shù)字接地層，再返回?cái)?shù)字電源;與電路板敏感的模擬部分隔離開(kāi)。系統(tǒng)星型接地結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在混合信號(hào)器件中模擬和數(shù)字接地層連接在一起的位置。

該方法一般用于具有單個(gè)PCB和單個(gè)ADC/DAC的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，不適合多卡混合信號(hào)系統(tǒng)。在不同PCB(甚至在相同PCB上)上具有數(shù)個(gè)ADC或DAC的系統(tǒng)中，模擬和數(shù)字接地層在多個(gè)點(diǎn)連接，使得建立接地環(huán)路成為可能，而單點(diǎn)“星型”接地系統(tǒng)則不可能。鑒于以上原因，此接地方法不適用于多卡系統(tǒng)，上述方法應(yīng)當(dāng)用于具有低數(shù)字電流的混合信號(hào)IC。

圖8. 混合信號(hào)IC接地：?jiǎn)蝹€(gè)PCB(典型評(píng)估/測(cè)試板)。

針對(duì)高頻工作的接地

一般提倡電源和信號(hào)電流最好通過(guò)“接地層”返回，而且該層還可為轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源和其它子電路提供參考節(jié)點(diǎn)。但是，即便廣泛使用接地層也不能保證交流電路具有高質(zhì)量接地參考。

圖9所示的簡(jiǎn)單電路采用兩層印刷電路板制造，頂層上有一個(gè)交直流電流源，其一端連到過(guò)孔1，另一端通過(guò)一條U形銅走線連到過(guò)孔2。兩個(gè)過(guò)孔均穿過(guò)電路板并連到接地層。理想情況下，頂端連接器以及過(guò)孔1和過(guò)孔2之間的接地回路中的阻抗為零，電流源上的電壓為零。

圖9. 電流源的原理圖和布局，PCB上布設(shè)U形走線，通過(guò)接地層返回。

這個(gè)簡(jiǎn)單原理圖很難顯示出內(nèi)在的微妙之處，但了解電流如何在接地層中從過(guò)孔1流到過(guò)孔2，將有助于我們看清實(shí)際問(wèn)題所在，并找到消除高頻布局接地噪聲的方法。

圖10. 圖9所示PCB的直流電流的流動(dòng)。

圖10所示的直流電流的流動(dòng)方式，選取了接地層中從過(guò)孔1至過(guò)孔2的電阻最小的路徑。雖然會(huì)發(fā)生一些電流擴(kuò)散，但基本上不會(huì)有電流實(shí)質(zhì)性偏離這條路徑。相反，交流電流則選取阻抗最小的路徑，而這要取決于電感。

圖11. 磁力線和感性環(huán)路(右手法則)。

電感與電流環(huán)路的面積成比例，二者之間的關(guān)系可以用圖11所示的右手法則和磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)明。環(huán)路之內(nèi)，沿著環(huán)路所有部分流動(dòng)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互增強(qiáng)。環(huán)路之外，不同部分所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互削弱。因此，磁場(chǎng)原則上被限制在環(huán)路以?xún)?nèi)。環(huán)路越大則電感越大，這意味著：對(duì)于給定的電流水平，它儲(chǔ)存的磁能(Li2)更多，阻抗更高(XL = jωL)，因而將在給定頻率產(chǎn)生更大電壓。

圖12. 接地層中不含電阻(左圖)和含電阻(右圖)的交流電流路徑。

電流將在接地層中選取哪一條路徑呢?自然是阻抗最低的路徑?？紤]U形表面引線和接地層所形成的環(huán)路，并忽略電阻，則高頻交流電流將沿著阻抗最低，即所圍面積最小的路徑流動(dòng)。

在圖中所示的例子中，面積最小的環(huán)路顯然是由U形頂部走線與其正下方的接地層部分所形成的環(huán)路。圖10顯示了直流電流路徑，圖12則顯示了大多數(shù)交流電流在接地層中選取的路徑，它所圍成的面積最小，位于U形頂部走線正下方。實(shí)際應(yīng)用中，接地層電阻會(huì)導(dǎo)致低中頻電流流向直接返回路徑與頂部導(dǎo)線正下方之間的某處。不過(guò)，即使頻率低至1 MHz或2 MHz，返回路徑也是接近頂部走線的下方。

小心接地層割裂

如果導(dǎo)線下方的接地層上有割裂，接地層返回電流必須環(huán)繞裂縫流動(dòng)。這會(huì)導(dǎo)致電路電感增加，而且電路也更容易受到外部場(chǎng)的影響。圖13顯示了這一情況，其中的導(dǎo)線A和導(dǎo)線B必須相互穿過(guò)。

當(dāng)割裂是為了使兩根垂直導(dǎo)線交叉時(shí)，如果通過(guò)飛線將第二根信號(hào)線跨接在第一根信號(hào)線和接地層上方，則效果更佳。此時(shí)，接地層用作兩個(gè)信號(hào)線之間的天然屏蔽體，而由于集膚效應(yīng)，兩路地返回電流會(huì)在接地層的上下表面各自流動(dòng)，互不干擾。

多層板能夠同時(shí)支持信號(hào)線交叉和連續(xù)接地層，而無(wú)需考慮線鏈路問(wèn)題。雖然多層板價(jià)格較高，而且不如簡(jiǎn)單的雙面電路板調(diào)試方便，但是屏蔽效果更好，信號(hào)路由更佳。相關(guān)原理仍然保持不變，但布局布線選項(xiàng)更多。

對(duì)于高性能混合信號(hào)電路而言，使用至少具有一個(gè)連續(xù)接地層的雙面或多層PCB無(wú)疑是最成功的設(shè)計(jì)方法之一。通常，此類(lèi)接地層的阻抗足夠低，允許系統(tǒng)的模擬和數(shù)字部分共用一個(gè)接地層。但是，這一點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)，要取決于系統(tǒng)中的分辨率和帶寬要求以及數(shù)字噪聲量。

圖13. 接地層割裂導(dǎo)致電路電感增加，而且電路也更容易受到外部場(chǎng)的影響。

其他例子也可以說(shuō)明這一點(diǎn)。高頻電流反饋型放大器對(duì)其反相輸入周?chē)碾娙莘浅Ｃ舾?。接地層旁的輸入走線可能具有能夠?qū)е聠?wèn)題的那一類(lèi)電容。要記住，電容是由兩個(gè)導(dǎo)體(走線和接地層)組成的，中間用絕緣體(板和可能的阻焊膜)隔離。在這一方面，接地層應(yīng)與輸入引腳分隔開(kāi)，如圖14所示，它是AD8001高速電流反饋型放大器的評(píng)估板。小電容對(duì)電流反饋型放大器的影響如圖15所示。請(qǐng)注意輸出上的響鈴振蕩。

圖14. AD8001AR評(píng)估板—俯視圖(a)和仰視圖(b)。

圖15. 10 pF反相輸入雜散電容對(duì) 放大器(AD8001)脈沖響應(yīng)的影響。

接地總結(jié)

沒(méi)有任何一種接地方法能始終保證最佳性能。本文根據(jù)所考慮的特定混合信號(hào)器件特性提出了幾種可能的選項(xiàng)。在實(shí)施初始PC板布局時(shí)，提供盡可能多的選項(xiàng)會(huì)很有幫助。

PC板必須至少有一層專(zhuān)用于接地層!初始電路板布局應(yīng)提供非重疊的模擬和數(shù)字接地層，如果需要，應(yīng)在數(shù)個(gè)位置提供焊盤(pán)和過(guò)孔，以便安裝背對(duì)背肖特基二極管或鐵氧體磁珠。此外，需要時(shí)可以使用跳線將模擬和數(shù)字接地層連接在一起。

一般而言，混合信號(hào)器件的AGND引腳應(yīng)始終連接到模擬接地層。具有內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)的DSP是一個(gè)例外，例如ADSP-21160 SHARC®處理器。PLL的接地引腳是標(biāo)記的AGND，但直接連接到DSP的數(shù)字接地層。