接地問題的問與答

問：有關(guān)如何處理ADC中模擬地和數(shù)字地的引腳，我有點兒糊涂。通常要求把模擬地和數(shù)字地在器件上連接在一起，但我不想把ADC接成系統(tǒng)的星形接地點。我應(yīng)該怎么做?

答：首先，對涉及到模擬地和數(shù)字地感到糊涂這件事，你不必感覺那么壞，許 多人都是這樣的!許多迷惑首先來自ADC接地引腳的名稱。模擬地和數(shù)字地的引腳名稱表示內(nèi) 部元件本身的作用，未必意味著外部也應(yīng)該按照內(nèi)部作用去做。讓我們來解釋一下。

一個集成電路內(nèi)部有模擬電路和數(shù)字電路兩部分，例如ADC，為了避免數(shù)字信號耦合到模擬 電路中去，模擬地和數(shù)字地通常分開。圖1所示是一個ADC的簡單示意圖。從芯片上的焊 點到封裝引腳的連線所產(chǎn)生的引線接合電感和電阻，并不是IC設(shè)計者專門加上去的。快速變 化的數(shù)字電流在B點產(chǎn)生一個電壓，經(jīng)過雜散電容(C STRAY )必然耦合到模擬電路的A點 。盡 管這是制造芯片 過程中IC設(shè)計者應(yīng)考慮的問題?？墒悄隳軌蚩吹綖榱朔乐惯M一步耦合，模擬地和數(shù)字地的引 腳在外面應(yīng)該用最短的連線接到同一個低阻抗的接地平面上。任何在數(shù)字地引腳附加的外部 阻抗都將在B點上引起較大的數(shù)字噪聲。然后將大的數(shù)字噪聲通過雜散電容耦合到模擬 電路上。可通過一個極簡單的示意圖(圖12?1)來說明這一點。

問：好，你已告訴我把集成電路的模擬地和數(shù)字地引腳接到同一接地平面，但我 仍然要把模擬和數(shù)字接地平面在系統(tǒng)中分離開來，我要它們僅僅在一點上連起來，但這 個公共點是電源的返回端，并且連到底座接地線上。那么現(xiàn)在我還要做什么?

答：假如你的系統(tǒng)只有一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，實際上你可以按照產(chǎn)品說明中所說的方 法去做 ，并且把模擬地和數(shù)字地線系統(tǒng)一起連在轉(zhuǎn)換器上。你的系統(tǒng)的星形接地點現(xiàn)在是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換器上。但是這也許是極不希望的，除非在開始時你就用這樣的想法來設(shè)計你的系統(tǒng)。假如 你有幾個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器安排在不同的印制線路板上，這個規(guī)則不適用應(yīng)該另想辦法，因為模 擬地 和數(shù)字地系統(tǒng)被連接在許多印制線路板的每個轉(zhuǎn)換器上。對于接地環(huán)路這是最好的建議。

問：我已經(jīng)能想像出來了!假如我必須把模擬地和數(shù)字地引腳在器件上連 在一 起，我仍舊需要分開系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地，我把模擬地和數(shù)字地連起來再接到印制線路板 上的模擬接地平面，或者是數(shù)字接地平面上，但不能兩者都連上，對嗎?因為ADC既是模 擬器件又是數(shù)字器件，那么連到哪一個接地平面更合適呢?

答：對!假如你把模擬地和數(shù)字地引腳都連到數(shù)字接地平面上，那么你的模擬輸 入信號將有數(shù)字噪聲疊加上去，因為模擬輸入信號是單端的且相對于模擬接地平面而言。

問：所以正確的回答是把模擬地和數(shù)字地引腳兩者連起來并接到模擬接地 平面上，對嗎?但這樣會不會把數(shù)字噪聲加到本來很好的接地平面上?另外，因為現(xiàn)在輸出信 號是相對于模擬接地平面，而所有其它邏輯是相對于數(shù)字接地平面，那么輸出邏輯噪聲容限 是否會下降?我打算把ADC輸出接到印制線路板背面三態(tài)數(shù)據(jù)總線上，在那里噪聲會相當(dāng)大， 所以我認(rèn)為首先需要能夠得到的所有噪聲容限。

答：好!沒有什么人會說生活是很容易的!你已經(jīng)通過困難的道路得到了正確的 結(jié)論，但你提出的模擬接地平面上的數(shù)字噪聲和在ADC輸出端上減少噪聲容限(noise margin )的問題， 實際上并非像想象的那樣壞，可以把它們克服掉。把幾百毫伏不可靠的信號加到數(shù)字接口明 顯地好 于把同樣不可靠信號加到模擬輸入端。對于10 V輸入的16位ADC，其最低位信號僅僅 為150 μV!在數(shù)字地引腳上的數(shù)字地電流實際上不可能比這更壞，否則它們將使ADC內(nèi)部 的 模擬部分首先失效!假如你在ADC電源引腳到模擬接地平面之間接一種高質(zhì)量高頻陶瓷電容器 (0 ?1μF)來旁路高頻噪聲，你將把這些電流隔離到集成電路周圍非常小的范圍，并且將其對 系統(tǒng)其余部分的影響減到最低。

雖然數(shù)字噪聲容限會減少，但是如果低于幾百毫伏，對于TTL和CMOS邏輯通常是可以接受 的。假如你的ADC有單端ECL輸出，你就需 要在每一個數(shù)字門上加一個推挽門，即起平衡和補償輸出的作用。把這些門電路封裝塊地線 引 到模擬接地平面，并且用差分方式連接邏輯信號接口。在另一端使用一個差分線路接收器， 將 它的接地端接到數(shù)字接地平面上。模擬接地平面和數(shù)字接地平面之間的噪聲是共模信號，它 們的大 多數(shù)將在差分線路接收器的輸出端被衰減抑制掉。你可以把同樣方法用于TTL和CMOS，但它 們通常有足夠的噪聲容限，所以不需要差分傳輸。

但是你說過的一件事使我大感憂慮。通常把ADC輸出直接連到有噪聲的數(shù)據(jù)總線上，是很 輕率的作法?？偩€噪聲經(jīng)過內(nèi)部寄生電容耦合可能返回ADC模擬輸入端。寄生電容從0?1到0 ?5 p F。如果把ADC輸出直接連到靠近ADC的中間緩沖鎖存器就要好得多(見圖12?2)。緩沖鎖存器 地線接到數(shù)字接地平面上，所以它的輸出邏輯電平和系統(tǒng)其余部分的邏輯電平兼容。

問：我現(xiàn)在明白了。但究竟為什么你不把ADC的所有地線引腳都稱作模擬地(AGND)?這樣就不會先出現(xiàn)這些問題。

答：假如新來的檢查人員用一只歐姆表，看一看它們在封裝體內(nèi)部是否連在一起 。這種做法多半會被拒絕，因為集成電路可能會被燒。另外存在一個慣例，我們必須把這些 引腳做標(biāo)記，以便指示它們的真實功能，而不是像我們想象的那樣。

問：好!我不去做你剛才的試驗了?，F(xiàn)在討論一個問題。我有一個同事，他設(shè)計了 一個模擬地和數(shù)字地獨立的系統(tǒng)，他把模擬地引腳接到模擬接地平面，把數(shù)字地引腳 接到 數(shù)字接地平面上，他說系統(tǒng)工作得很好，怎么解釋這件事?

答：首先，你按照未被推薦的方法去做，并不一定意味著你能一時僥幸成功，有 時你會陷入虛假的安全感(這就是鮮為人知的Murphy定律)，有些ADC對于模擬地與數(shù)字 地 引腳 之間的外部噪聲不敏感，你的同事偶然選到的可能就是這一種。如果要求我們對你的同事所 說的 “工作很好”的定義做考察，可能還會有其它的解釋。然而ADC的制造廠家指出，在那種工 作條件下ADC的技術(shù)指標(biāo)得不到保證。像ADC那樣復(fù)雜器件要在所有工作條件下進行試驗是不 現(xiàn)實的，特別是在不是首先推薦的那些條件下!你的同事這次是僥幸的。假如這個做法在將 來的系統(tǒng)設(shè)計中繼續(xù)使用，你還是會相信Murphy定律最終會得到證實的。

問：關(guān)于ADC接地的基本原理現(xiàn)在我已經(jīng)懂了，但對于DAC應(yīng)該怎樣接地呢 ?

答：應(yīng)用同樣的原則。DAC的模擬地引腳和數(shù)字地引腳連在一起并接到模擬接地平 面 上。如果DAC沒有輸入鎖存器，應(yīng)該把驅(qū)動DAC的寄存器的基準(zhǔn)和接地引腳接到模擬地以預(yù) 防數(shù)字噪聲耦合到模擬輸出端。

問：對于含有ADC，DAC和DSP(例如ADSP?21msp50音頻處理器)的混合處理 芯片應(yīng)該怎樣接地呢?

答：應(yīng)用同樣的原則。對于復(fù)雜的混合信號芯片，例如ADSP?21msp50，你決不能 把它僅看作是數(shù)字芯片!應(yīng)該應(yīng)用我們剛剛討論的同樣的原則。即使一個16位的Σ?ΔADC和 DAC的有效采樣速率僅僅為8 ksps，轉(zhuǎn)換器過采樣工作頻率仍然達到1 MHz。這種轉(zhuǎn)換器需要 一 個13 MHz的外部時鐘，而52 MHz的內(nèi)部處理器時鐘是由一個鎖相環(huán)來產(chǎn)生的。正如你所看到 的，成功地應(yīng)用這種器件需要懂得精密電路和高速電路的設(shè)計方法。

問：這些器件對模擬電源和數(shù)字電源要求怎么樣?我究竟是買獨立的模擬電源和數(shù) 字電源，還是買相同的電源?

答：這個問題實際上與數(shù)字電源的噪聲大小有關(guān)。例如ADSP?21msp50有獨立的+5 V 模擬電源引腳和+5 V數(shù)字電源引腳。倘若你有一個相當(dāng)干凈的數(shù)字電源，你還把它作為 模擬 電源使用，可能僥幸沒出現(xiàn)問題。一定要在器件每個電源引腳上用0?1μF陶瓷電容適當(dāng)去 耦 。推薦對模擬接地平面去耦，而不是數(shù)字接地平面!你也可以用一個鐵氧體環(huán)把模擬電源和 數(shù)字電 源進一步隔離。圖12.3示出的是一種正確接法。更為保險的辦法是使用單獨的+5 V電源。 假如你能允許附加的功率損耗，可使用三端穩(wěn)壓塊從無噪聲+15 V或+12 V電源中產(chǎn)生一個+5 V電 源。