對于線(xiàn)性系統而言，"地"是信號的基準點(diǎn)。遺憾的是，在單極性電源系統中，它還成為電源電流的回路。接地策略應用不當，可能?chē)乐負p害高精度線(xiàn)性系統的性能。

 

對于所有模擬設計而言，接地都是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，而在基于PCB的電路中，適當實(shí)施接地也具有同等重要的意義。幸運的是，某些高質(zhì)量接地原理，特別是接地層的使用，對于PCB環(huán)境是固有不變的。由于這一因素是基于PCB的模擬設計的顯著(zhù)優(yōu)勢之一，我們將在本文中對其進(jìn)行重點(diǎn)討論。

 

我們必須對接地的其他一些方面進(jìn)行管理，包括控制可能導致性能降低的雜散接地和信號返回電壓。這些電壓可能是由于外部信號耦合、公共電流導致的，或者只是由于接地導線(xiàn)中的過(guò)度IR壓降導致的。適當地布線(xiàn)、布線(xiàn)的尺寸，以及差分信號處理和接地隔離技術(shù)，使得我們能夠控制此類(lèi)寄生電壓。

 

我們將要討論的一個(gè)重要主題是適用于模擬/數字混合信號環(huán)境的接地技術(shù)。事實(shí)上，高質(zhì)量接地這個(gè)問(wèn)題可以—也必然—影響到混合信號PCB設計的整個(gè)布局原則。

 

目前的信號處理系統一般需要混合信號器件，例如模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)和快速數字信號處理器(DSP)。由于需要處理寬動(dòng)態(tài)范圍的模擬信號，因此必須使用高性能ADC和DAC。在惡劣的數字環(huán)境內，能否保持寬動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲與采用良好的高速電路設計技術(shù)密切相關(guān)，包括適當的信號布線(xiàn)、去耦和接地。

 

過(guò)去，一般認為"高精度、低速"電路與所謂的"高速"電路有所不同。對于A(yíng)DC和DAC，采樣（或更新）頻率一般用作區分速度標準。不過(guò)，以下兩個(gè)示例顯示，實(shí)際操作中，目前大多數信號處理IC真正實(shí)現了"高速"，因此必須作為此類(lèi)器件來(lái)對待，才能保持高性能。DSP、ADC和DAC均是如此。

 

所有適合信號處理應用的采樣ADC（內置采樣保持電路的ADC）均采用具有快速上升和下降時(shí)間（一般為數納秒）的高速時(shí)鐘工作，即使呑吐量看似較低也必須視為高速器件。例如，中速12位逐次逼近型(SAR) ADC可采用10 MHz內部時(shí)鐘工作，而采樣速率僅為500 kSPS。

 

Σ-Δ型ADC具有高過(guò)采樣比，因此還需要高速時(shí)鐘。即使是高分辨率的所謂"低頻"工業(yè)測量ADC（例如AD77xx-系列）吞吐速率達到10 Hz至7.5 kHz，也采用5 MHz或更高時(shí)鐘頻率工作，并且提供高達24位的分辨率。

 

更復雜的是，混合信號IC具有模擬和數字兩種端口，因此如何使用適當的接地技術(shù)就顯示更加錯綜復雜。此外，某些混合信號IC具有相對較低的數字電流，而另一些具有高數字電流。很多情況下，這兩種類(lèi)型的IC需要不同的處理，以實(shí)現最佳接地。

 

數字和模擬設計工程師傾向于從不同角度考察混合信號器件，本文旨在說(shuō)明適用于大多數混合信號器件的一般接地原則，而不必了解內部電路的具體細節。

 

通過(guò)以上內容，顯然接地問(wèn)題沒(méi)有一本快速手冊。遺憾的是，我們并不能提供可以保證接地成功的技術(shù)列表。我們只能說(shuō)忽視一些事情，可能會(huì )導致一些問(wèn)題。在某一個(gè)頻率范圍內行之有效的方法，在另一個(gè)頻率范圍內可能行不通。另外還有一些相互沖突的要求。處理接地問(wèn)題的關(guān)鍵在于理解電流的流動(dòng)方式。

 

星型接地

 

"星型"接地的理論基礎是電路中總有一個(gè)點(diǎn)是所有電壓的參考點(diǎn)，稱(chēng)為"星型接地"點(diǎn)。我們可以通過(guò)一個(gè)形象的比喻更好地加以理解—多條導線(xiàn)從一個(gè)共同接地點(diǎn)呈輻射狀擴展，類(lèi)似一顆星。星型點(diǎn)并不一定在外表上類(lèi)似一顆星—它可能是接地層上的一個(gè)點(diǎn)—但星型接地系統上的一個(gè)關(guān)鍵特性是：所有電壓都是相對于接地網(wǎng)上的某個(gè)特定點(diǎn)測量的，而不是相對于一個(gè)不確定的"地"（無(wú)論我們在何處放置探頭）。

 

雖然在理論上非常合理，但星型接地原理卻很難在實(shí)際中實(shí)施。舉例來(lái)說(shuō)，如果系統采用星型接地設計，而且繪制的所有信號路徑都能使信號間的干擾最小并可盡量避免高阻抗信號或接地路徑的影響，實(shí)施問(wèn)題便隨之而來(lái)。在電路圖中加入電源時(shí)，電源就會(huì )增加不良的接地路徑，或者流入現有接地路徑的電源電流相當大和/或具有高噪聲，從而破壞信號傳輸。為電路的不同部分單獨提供電源（因而具有單獨的接地回路）通?？梢员苊膺@個(gè)問(wèn)題。例如，在混合信號應用中，通常要將模擬電源和數字電源分開(kāi)，同時(shí)將在星型點(diǎn)處相連的模擬地和數字地分開(kāi)。

 

單獨的模擬地和數字地

 

事實(shí)上，數字電路具有噪聲。飽和邏輯（例如TTL和CMOS）在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì )短暫地從電源吸入大電流。但由于邏輯級的抗擾度可達數百毫伏以上，因而通常對電源去耦的要求不高。相反，模擬電路非常容易受噪聲影響—包括在電源軌和接地軌上—因此，為了防止數字噪聲影響模擬性能，應該把模擬電路和數字電路分開(kāi)。這種分離涉及到接地回路和電源軌的分開(kāi)，對混合信號系統而言可能比較麻煩。

 

然而，如果高精度混合信號系統要充分發(fā)揮性能，則必須具有單獨的模擬地和數字地以及單獨電源，這一點(diǎn)至關(guān)重要。事實(shí)上，雖然有些模擬電路采用+5 V單電源供電運行，但并不意味著(zhù)該電路可以與微處理器、動(dòng)態(tài)RAM、電扇或其他高電流設備共用相同+5 V高噪聲電源。模擬部分必須使用此類(lèi)電源以最高性能運行，而不只是保持運行。這一差別必然要求我們對電源軌和接地接口給予高度注意。

 

請注意，系統中的模擬地和數字地必須在某個(gè)點(diǎn)相連，以便讓信號都參考相同的電位。這個(gè)星點(diǎn)（也稱(chēng)為模擬/數字公共點(diǎn)）要精心選擇，確保數字電流不會(huì )流入系統模擬部分的地。在電源處設置公共點(diǎn)通常比較便利。

 

許多ADC和DAC都有單獨的"模擬地"(AGND)和"數字地"(DGND)引腳。在設備數據手冊上，通常建議用戶(hù)在器件封裝處將這些引腳連在一起。這點(diǎn)似乎與要求在電源處連接模擬地和數字地的建議相沖突；如果系統具有多個(gè)轉換器，這點(diǎn)似乎與要求在單點(diǎn)處連接模擬地和數字地的建議相沖突。

 

其實(shí)并不存在沖突。這些引腳的"模擬地"和"數字地"標記是指引腳所連接到的轉換器內部部分，而不是引腳必須連接到的系統地。對于A(yíng)DC，這兩個(gè)引腳通常應該連在一起，然后連接到系統的模擬地。由于轉換器的模擬部分無(wú)法耐受數字電流經(jīng)由焊線(xiàn)流至芯片時(shí)產(chǎn)生的壓降，因此無(wú)法在IC封裝內部將二者連接起來(lái)。但它們可以在外部連在一起。

 

圖1顯示了ADC的接地連接這一概念。這樣的引腳接法會(huì )在一定程度上降低轉換器的數字噪聲抗擾度，降幅等于系統數字地和模擬地之間的共模噪聲量。但是，由于數字噪聲抗擾度經(jīng)常在數百或數千毫伏水平，因此一般不太可能有問(wèn)題。

 

模擬噪聲抗擾度只會(huì )因轉換器本身的外部數字電流流入模擬地而降低。這些電流應該保持很小，通過(guò)確保轉換器輸出沒(méi)有高負載，可以最大程度地減小電流。實(shí)現這一目標的好方法是在A(yíng)DC輸出端使用低輸入電流緩沖器，例如CMOS緩沖器-寄存器IC。

 

如果轉換器的邏輯電源利用一個(gè)小電阻隔離，并且通過(guò)0.1 μF (100 nF)電容去耦到模擬地，則轉換器的所有快速邊沿數字電流都將通過(guò)該電容流回地，而不會(huì )出現在外部地電路中。如果保持低阻抗模擬地，而能夠充分保證模擬性能，那么外部數字地電流所產(chǎn)生的額外噪聲基本上不會(huì )構成問(wèn)題。

 

接地層 

 

接地層的使用與上文討論的星型接地系統相關(guān)。為了實(shí)施接地層，雙面PCB（或多層PCB的一層）的一面由連續銅制造，而且用作地。其理論基礎是大量金屬具有可能最低的電阻。由于使用大型扁平導體，它也具有可能最低的電感。因而，它提供了最佳導電性能，包括最大程度地降低導電平面之間的雜散接地差異電壓。

 

請注意，接地層概念還可以延伸，包括 電壓層。電壓層提供類(lèi)似于接地層的優(yōu)勢—極低阻抗的導體—但只用于一個(gè)（或多個(gè)）系統電源電壓。因此，系統可能具有多個(gè)電壓層以及接地層。

 

雖然接地層可以解決很多地阻抗問(wèn)題，但它們并非靈丹妙藥。即使是一片連續的銅箔，也會(huì )有殘留電阻和電感；在特定情況下，這些就足以妨礙電路正常工作。設計人員應該注意不要在接地層注入很高電流，因為這樣可能產(chǎn)生壓降，從而干擾敏感電路。

 

保持低阻抗大面積接地層對目前所有模擬電路都很重要。接地層不僅用作去耦高頻電流（源于快速數字邏輯）的低阻抗返回路徑，還能將EMI/RFI輻射降至最低。由于接地層的屏蔽作用，電路受外部EMI/RFI的影響也會(huì )降低。

 

接地層還允許使用傳輸線(xiàn)路技術(shù)（微帶線(xiàn)或帶狀線(xiàn)）傳輸高速數字或模擬信號，此類(lèi)技術(shù)需要可控阻抗。

 

由于"總線(xiàn)(bus wire)"在大多數邏輯轉換等效頻率下具有阻抗，將其用作"地"完全不能接受。例如，#22標準導線(xiàn)具有約20 nH/in的電感。由邏輯信號產(chǎn)生的壓擺率為10 mA/ns的瞬態(tài)電流，流經(jīng)1英寸該導線(xiàn)時(shí)將形成200 mV的無(wú)用壓降：

 

圖1. 數據轉換器的模擬地(AGND)和數字地(DGND)引腳應返回到系統模擬地。

 

如果轉換器的邏輯電源利用一個(gè)小電阻隔離，并且通過(guò)0.1 μF (100 nF)電容去耦到模擬地，則轉換器的所有快速邊沿數字電流都將通過(guò)該電容流回地，而不會(huì )出現在外部地電路中。如果保持低阻抗模擬地，而能夠充分保證模擬性能，那么外部數字地電流所產(chǎn)生的額外噪聲基本上不會(huì )構成問(wèn)題。

 

接地層 

 

接地層的使用與上文討論的星型接地系統相關(guān)。為了實(shí)施接地層，雙面PCB（或多層PCB的一層）的一面由連續銅制造，而且用作地。其理論基礎是大量金屬具有可能最低的電阻。由于使用大型扁平導體，它也具有可能最低的電感。因而，它提供了最佳導電性能，包括最大程度地降低導電平面之間的雜散接地差異電壓。

 

請注意，接地層概念還可以延伸，包括 電壓層。電壓層提供類(lèi)似于接地層的優(yōu)勢—極低阻抗的導體—但只用于一個(gè)（或多個(gè)）系統電源電壓。因此，系統可能具有多個(gè)電壓層以及接地層。

 

雖然接地層可以解決很多地阻抗問(wèn)題，但它們并非靈丹妙藥。即使是一片連續的銅箔，也會(huì )有殘留電阻和電感；在特定情況下，這些就足以妨礙電路正常工作。設計人員應該注意不要在接地層注入很高電流，因為這樣可能產(chǎn)生壓降，從而干擾敏感電路。

 

保持低阻抗大面積接地層對目前所有模擬電路都很重要。接地層不僅用作去耦高頻電流（源于快速數字邏輯）的低阻抗返回路徑，還能將EMI/RFI輻射降至最低。由于接地層的屏蔽作用，電路受外部EMI/RFI的影響也會(huì )降低。

 

接地層還允許使用傳輸線(xiàn)路技術(shù)（微帶線(xiàn)或帶狀線(xiàn)）傳輸高速數字或模擬信號，此類(lèi)技術(shù)需要可控阻抗。

 

由于"總線(xiàn)(bus wire)"在大多數邏輯轉換等效頻率下具有阻抗，將其用作"地"完全不能接受。例如，#22標準導線(xiàn)具有約20 nH/in的電感。由邏輯信號產(chǎn)生的壓擺率為10 mA/ns的瞬態(tài)電流，流經(jīng)1英寸該導線(xiàn)時(shí)將形成200 mV的無(wú)用壓降：

 

   (1)

 

對于具有2 V峰峰值范圍的信號，此壓降會(huì )轉化為大約200 mV或10%的誤差（大約"3.5位精度"）。即使在全數字電路中，該誤差也會(huì )大幅降低邏輯噪聲裕量。

 

圖2顯示數字返回電流調制模擬返回電流的情況（頂圖）。接地返回導線(xiàn)電感和電阻由模擬和數字電路共享，這會(huì )造成相互影響，最終產(chǎn)生誤差。一個(gè)可能的解決方案是讓數字返回電流路徑直接流向GND REF，如底圖所示。這顯示了"星型"或單點(diǎn)接地系統的基本概念。在包含多個(gè)高頻返回路徑的系統中很難實(shí)現真正的單點(diǎn)接地。因為各返回電流導線(xiàn)的物理長(cháng)度將引入寄生電阻和電感，所以獲得低阻抗高頻接地就很困難。實(shí)際操作中，電流回路必須由大面積接地層組成，以便獲取高頻電流下的低阻抗。如果無(wú)低阻抗接地層，則幾乎不可能避免上述共享阻抗，特別是在高頻下。

 

所有集成電路接地引腳應直接焊接到低阻抗接地層，從而將串聯(lián)電感和電阻降至最低。對于高速器件，不推薦使用傳統IC插槽。即使是"小尺寸"插槽，額外電感和電容也可能引入無(wú)用的共享路徑，從而破壞器件性能。如果插槽必須配合DIP封裝使用，例如在制作原型時(shí)，個(gè)別"引腳插槽"或"籠式插座"是可以接受的。以上引腳插槽提供封蓋和無(wú)封蓋兩種版本。由于使用彈簧加載金觸點(diǎn)，確保了IC引腳具有良好的電氣和機械連接。不過(guò)，反復插拔可能降低其性能。

 

圖2. 流入模擬返回路徑的數字電流產(chǎn)生誤差電壓。

 

應使用低電感、表面貼裝陶瓷電容，將電源引腳直接去耦至接地層。如果必須使用通孔式陶瓷電容，則它們的引腳長(cháng)度應該小于1 mm。陶瓷電容應盡量靠近IC電源引腳。噪聲過(guò)濾還可能需要鐵氧體磁珠。

 

這樣的話(huà)，可以說(shuō)"地"越多越好嗎？接地層能解決許多地阻抗問(wèn)題，但并不能全部解決。即使是一片連續的銅箔，也會(huì )有殘留電阻和電感；在特定情況下，這些就足以妨礙電路正常工作。圖3說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題，并給出了解決方法。

 

圖3. 割裂接地層可以改變電流流向，從而提高精度。

 

由于實(shí)際機械設計的原因，電源輸入連接器在電路板的一端，而需要靠近散熱器的電源輸出部分則在另一端。電路板具有100 mm寬的接地層，還有電流為15 A的功率放大器。如果接地層厚0.038 mm，15 A的電流流過(guò)時(shí)會(huì )產(chǎn)生68 μV/mm的壓降。對于任何共用該PCB且以地為參考的精密模擬電路，這種壓降都會(huì )引起嚴重問(wèn)題?？梢愿盍呀拥貙?，讓大電流不流入精密電路區域，而迫使它環(huán)繞割裂位置流動(dòng)。這樣可以防止接地問(wèn)題（在這種情況下確實(shí)存在），不過(guò)該電流流過(guò)的接地層部分中電壓梯度會(huì )提高。

 

在多個(gè)接地層系統中，請務(wù)必避免覆蓋接地層，特別是模擬層和數字層。該問(wèn)題將導致從一個(gè)層（可能是數字地）到另一個(gè)層的容性耦合。要記住，電容是由兩個(gè)導體（兩個(gè)接地層）組成的，中間用絕緣體（PC板材料）隔離。

 

具有低數字電流的混合信號IC的接地和去耦

 

敏感的模擬元件，例如放大器和基準電壓源，必須參考和去耦至模擬接地層。具有低數字電流的ADC和DAC（和其他混合信號IC）一般應視為模擬元件，同樣接地并去耦至模擬接地層。乍看之下，這一要求似乎有些矛盾，因為轉換器具有模擬和數字接口，且通常有指定為模擬接地(AGND)和數字接地(DGND)的引腳。圖4有助于解釋這一兩難問(wèn)題。

 

圖4. 具有低內部數字電流的混合信號IC的正確接地。

 

同時(shí)具有模擬和數字電路的IC（例如ADC或DAC）內部，接地通常保持獨立，以免將數字信號耦合至模擬電路內。圖4顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的轉換器模型。將芯片焊盤(pán)連接到封裝引腳難免產(chǎn)生線(xiàn)焊電感和電阻，IC設計人員對此是無(wú)能為力的，心中清楚即可?？焖僮兓臄底蛛娏髟贐點(diǎn)產(chǎn)生電壓，且必然會(huì )通過(guò)雜散電容CSTRAY耦合至模擬電路的A點(diǎn)。此外，IC封裝的每對相鄰引腳間約有0.2 pF的雜散電容，同樣無(wú)法避免！IC設計人員的任務(wù)是排除此影響讓芯片正常工作。不過(guò)，為了防止進(jìn)一步耦合，AGND和DGND應通過(guò)最短的引線(xiàn)在外部連在一起，并接到模擬接地層。DGND連接內的任何額外阻抗將在B點(diǎn)產(chǎn)生更多數字噪聲；繼而使更多數字噪聲通過(guò)雜散電容耦合至模擬電路。請注意，將DGND連接到數字接地層會(huì )在A(yíng)GND和DGND引腳兩端施加 VNOISE ，帶來(lái)嚴重問(wèn)題！

 

"DGND"名稱(chēng)表示此引腳連接到IC的數字地，但并不意味著(zhù)此引腳必須連接到系統的數字地?？梢愿鼫蚀_地將其稱(chēng)為IC的內部"數字回路"。

 

這種安排確實(shí)可能給模擬接地層帶來(lái)少量數字噪聲，但這些電流非常小，只要確保轉換器輸出不會(huì )驅動(dòng)較大扇出（通常不會(huì )如此設計）就能降至最低。將轉換器數字端口上的扇出降至最低（也意味著(zhù)電流更低），還能讓轉換器邏輯轉換波形少受振鈴影響，盡可能減少數字開(kāi)關(guān)電流，從而減少至轉換器模擬端口的耦合。通過(guò)插入小型有損鐵氧體磁珠，如圖4所示，邏輯電源引腳pin (VD) 可進(jìn)一步與模擬電源隔離。轉換器的內部瞬態(tài)數字電流將在小環(huán)路內流動(dòng)，從VD 經(jīng)去耦電容到達DGND（此路徑用圖中紅線(xiàn)表示）。因此瞬態(tài)數字電流不會(huì )出現在外部模擬接地層上，而是局限于環(huán)路內。VD引腳去耦電容應盡可能靠近轉換器安裝，以便將寄生電感降至最低。去耦電容應為低電感陶瓷型，通常介于0.01 μF (10 nF)和0.1 μF (100 nF)之間。

 

再強調一次，沒(méi)有任何一種接地方案適用于所有應用。但是，通過(guò)了解各個(gè)選項和提前進(jìn)行規則，可以最大程度地減少問(wèn)題。

 

小心處理ADC數字輸出

 

將數據緩沖器放置在轉換器旁不失為好辦法，可將數字輸出與數據總線(xiàn)噪聲隔離開(kāi)（如圖4所示）。數據緩沖器也有助于將轉換器數字輸出上的負載降至最低，同時(shí)提供數字輸出與數據總線(xiàn)間的法拉第屏蔽（如圖5所示）。雖然很多轉換器具有三態(tài)輸出/輸入，但這些寄存器仍然在芯片上；它們使數據引腳信號能夠耦合到敏感區域，因而隔離緩沖區依然是一種良好的設計方式。某些情況下，甚至需要在模擬接地層上緊靠轉換器輸出提供額外的數據緩沖器，以提供更好的隔離。

 

圖5. 在輸出端使用緩沖器/鎖存器的高速ADC 具有對數字數據總線(xiàn)噪聲的增強抗擾度。

 

ADC輸出與緩沖寄存器輸入間的串聯(lián)電阻（圖4中標示為"R"）有助于將數字瞬態(tài)電流降至最低，這些電流可能影響轉換器性能。電阻可將數字輸出驅動(dòng)器與緩沖寄存器輸入的電容隔離開(kāi)。此外，由串聯(lián)電阻和緩沖寄存器輸入電容構成的RC網(wǎng)絡(luò )用作低通濾波器，以減緩快速邊沿。

 

典型CMOS柵極與PCB走線(xiàn)和通孔結合在一起，將產(chǎn)生約10 pF的負載。如果無(wú)隔離電阻，1 V/ns的邏輯輸出壓擺率將產(chǎn)生10 mA的動(dòng)態(tài)電流：

 

   (2)

 

驅動(dòng)10 pF的寄存器輸入電容時(shí)，500 Ω串聯(lián)電阻可將瞬態(tài)輸出電流降至最低，并產(chǎn)生約11 ns的上升和下降時(shí)間：

 

   (3)

 

圖6. 接地和去耦點(diǎn)。

 

由于TTL寄存器具有較高輸入電容，可明顯增加動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)電流，因此應避免使用

 

緩沖寄存器和其他數字電路應接地并去耦至PC板的數字接地層。請注意，模擬與數字接地層間的任何噪聲均可降低轉換器數字接口上的噪聲裕量。由于數字噪聲抗擾度在數百或數千毫伏水平，因此一般不太可能有問(wèn)題。模擬接地層噪聲通常不高，但如果數字接地層上的噪聲（相對于模擬接地層）超過(guò)數百毫伏，則應采取措施減小數字接地層阻抗，以將數字噪聲裕量保持在可接受的水平。任何情況下，兩個(gè)接地層之間的電壓不得超過(guò)300 mV，否則IC可能受損。

 

最好提供針對模擬電路和數字電路的獨立電源。模擬電源應當用于為轉換器供電。如果轉換器具有指定的數字電源引腳(VD)，應采用獨立模擬電源供電，或者如圖6所示進(jìn)行濾波。所有轉換器電源引腳應去耦至模擬接地層，所有邏輯電路電源引腳應去耦至數字接地層，如圖6所示。如果數字電源相對安靜，則可以使用它為模擬電路供電，但要特別小心。

 

某些情況下，不可能將VD連接到模擬電源。一些高速I(mǎi)C可能采用+5 V電源為其模擬電路供電，而采用+3.3 V或更小電源為數字接口供電，以便與外部邏輯接口。這種情況下，IC的+3.3 V引腳應直接去耦至模擬接地層。另外建議將鐵氧體磁珠與電源走線(xiàn)串聯(lián)，以便將引腳連接到+3.3 V數字邏輯電源。

 

采樣時(shí)鐘產(chǎn)生電路應與模擬電路同樣對待，也接地并深度去耦至模擬接地層。采樣時(shí)鐘上的相位噪聲會(huì )降低系統信噪比(SNR)；我們將稍后對此進(jìn)行討論。

 

采樣時(shí)鐘考量

 

在高性能采樣數據系統中，應使用低相位噪聲晶體振蕩器產(chǎn)生ADC（或DAC）采樣時(shí)鐘，因為采樣時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì )調制模擬輸入/輸出信號，并提高噪聲和失真底。采樣時(shí)鐘發(fā)生器應與高噪聲數字電路隔離開(kāi)，同時(shí)接地并去耦至模擬接地層，與處理運算放大器和ADC一樣。

 

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

 

   (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t_j = 50 ps (rms)，f = 100 kHz，則SNR = 90 dB，相當于約15位的動(dòng)態(tài)范圍。

 

應注意，以上示例中的tj 實(shí)際上是外部時(shí)鐘抖動(dòng)和內部ADC時(shí)鐘抖動(dòng)( 稱(chēng)為孔徑抖動(dòng))的方和根(rss)值。不過(guò)，在大多數高性能ADC中，內部孔徑抖動(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)鐘晶體振蕩器應參考分離接地系統中的模擬接地層。但是，系統限制可能導致這一點(diǎn)無(wú)法實(shí)現。許多情況下，采樣時(shí)鐘必須從數字接地層上產(chǎn)生的更高頻率、多用途系統時(shí)鐘獲得，接著(zhù)必須從數字接地層上的原點(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，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. 從數模接地層進(jìn)行采樣時(shí)鐘分配。

 

混合信號接地的困惑根源

 

大多數ADC、DAC和其他混合信號器件數據手冊是針對單個(gè)PCB討論接地，通常是制造商自己的評估板。將這些原理應用于多卡或多ADC/DAC系統時(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字層，并將轉換器的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字接地層，如圖8所示。這樣就基本在混合信號器件上產(chǎn)生了系統"星型"接地。所有高噪聲數字電流通過(guò)數字電源流入數字接地層，再返回數字電源；與電路板敏感的模擬部分隔離開(kāi)。系統星型接地結構出現在混合信號器件中模擬和數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，不適合多卡混合信號系統。在不同PCB（甚至在相同PCB上）上具有數個(gè)ADC或DAC的系統中，模擬和數字接地層在多個(gè)點(diǎn)連接，使得建立接地環(huán)路成為可能，而單點(diǎn)"星型"接地系統則不可能。鑒于以上原因，此接地方法不適用于多卡系統，上述方法應當用于具有低數字電流的混合信號IC。

 

圖8. 混合信號IC接地：?jiǎn)蝹€(gè)PCB（典型評估/測試板）。

 

針對高頻工作的接地

 

一般提倡電源和信號電流最好通過(guò)"接地層"返回，而且該層還可為轉換器、基準電壓源和其它子電路提供參考節點(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(xiàn)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U形走線(xiàn)，通過(guò)接地層返回。

 

這個(gè)簡(jiǎn)單原理圖很難顯示出內在的微妙之處，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(xiàn)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，沿著(zhù)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。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)?。環(huán)路越大則電感越大，這意味著(zhù)：對于給定的電流水平，它儲存的磁能(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(xiàn)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(zhù)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(xiàn)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(xiàn)正下方。實(shí)際應用中，接地層電阻會(huì )導致低中頻電流流向直接返回路徑與頂部導線(xiàn)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(xiàn)的下方。

 

小心接地層割裂

 

如果導線(xiàn)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，其中的導線(xiàn)A和導線(xiàn)B必須相互穿過(guò)。

 

當割裂是為了使兩根垂直導線(xiàn)交叉時(shí)，如果通過(guò)飛線(xiàn)將第二根信號線(xiàn)跨接在第一根信號線(xiàn)和接地層上方，則效果更佳。此時(shí)，接地層用作兩個(gè)信號線(xiàn)之間的天然屏蔽體，而由于集膚效應，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)支持信號線(xiàn)交叉和連續接地層，而無(wú)需考慮線(xiàn)鏈路問(wèn)題。雖然多層板價(jià)格較高，而且不如簡(jiǎn)單的雙面電路板調試方便，但是屏蔽效果更好，信號路由更佳。相關(guān)原理仍然保持不變，但布局布線(xiàn)選項更多。

 

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

 

圖13. 接地層割裂導致電路電感增加，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其反相輸入周?chē)碾娙莘浅Ｃ舾?。接地層旁的輸入走線(xiàn)可能具有能夠導致問(wèn)題的那一類(lèi)電容。要記住，電容是由兩個(gè)導體（走線(xiàn)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估板。小電容對電流反饋型放大器的影響如圖15所示。請注意輸出上的響鈴振蕩。

 

圖14. AD8001AR評估板—俯視圖(a)和仰視圖(b)。

 

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

 

接地總結

 

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

 

PC板必須至少有一層專(zhuān)用于接地層！初始電路板布局應提供非重疊的模擬和數字接地層，如果需要，應在數個(gè)位置提供焊盤(pán)和過(guò)孔，以便安裝背對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(xiàn)將模擬和數字接地層連接在一起。

 

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

 

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致謝

 

本文提供的材料由多名投稿人編輯，包括James Bryant、Mike Byrne、Walt Jung、Walt Kester、Ray Stata以及ADI公司的工程設計人員。

 

 

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