混合信號系統接地揭秘之第二部分

　　和高級模擬應用工程師Shridhar More

　　本文是系列文章（共2部分）的第2部分。第1部分（見參考1）為你解釋了一些典型專業術語和接地層，并介紹了分區方法。第2部分將討論分割接地層的利弊。另外，文章還將解釋多轉換器和多板系統接地。

【混合信號系統接地揭秘之第一部分】
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　　如果分割接地層并且線路穿過分割線（如圖1所示），那么電流返回通路在哪里呢？假設兩個層在某處連接（通過在一個單獨點），則返回電流必在該大型環路內流動。大型環路內的高頻電流產生輻射和高接地電感。大型環路內的低電平模擬電流易受干擾的影響。

　　圖1 穿過接地層分割的信號線跡

　　如果兩個層僅在電源處連接（圖2），則返回電流被迫直接流回電源接地，這是一個真正的大型環路！另外，不幸的是，不同RF電勢下使用長線纜連接的模擬和數字接地層，形成一個非常有效的偶極天線。

　　圖2? 在電源位置連接的分割層

　　首選使用一個持續接地層以避免這種長接地環路，但是如果使用分割接地層絕對必要并且線路穿過分割線，則各層應首先在一個位置連接，以形成一個返回電流的橋（圖3）。對所有線路進行布局，讓它們穿過該橋，直接在每條線路下面提供一條返回通路，從而產生一個非常小的環路面積。這種方法的典型應用是權衡何時使用高分辨率（≥20-bit）Σ-Δ模數轉換器（ADC）。

　　圖3 線路接地層橋接

　　通過分割層傳輸信號的其它方法是使用光隔離器（通過光）、變壓器（通過磁場）或者一個真正的差動信號（信號沿一條線路傳輸，然后在另一條線路上返回，無需返回電流接地）。

　　一種更好的方法是“分區”。僅使用一個接地層始終為首選，把PCB劃分為模擬部分和數字部分（參見圖4b）。模擬信號必須安排在板的模擬部分，而數字信號必須安排在板的數字部分，并且所有層上都有這兩個部分。在這種情況下，數字返回電流不會存在于接地層的模擬部分，并且保持在數字信號線跡下面。圖4比較了一個分割層和一個分區層。

　　圖4 接地層布局

　　分區方法存在的唯一問題是，當模擬信號錯誤地安排在板的數字部分（反之亦然）時則難以有效，如圖5所示。因此，對于所有PCB布局而言，重點是使用一個單個接地層，把它劃分為模擬和數字部分，然后運用信號安排原則。

　　圖5 錯誤安排的數字信號線跡

　　在一塊單獨板上使用多個數據轉換器時的接地

　　大多數數據轉換器的產品說明書都說明了相對于單一PCB的接地方法，并且通常為制造廠商自己的評估板。一般而言，我們建議把PCB接地層分割為一個模擬層和一個數字層。我們還建議，把轉換器的模擬接地（AGND）和數字接地（DGND）引腳放在一起，并且在同一個點連接模擬和數字接地層，如圖6所示。最終，在混合信號器件處形成系統的星形接地點。正如第1部分文章介紹的那樣，測量出與該特定點相關的電路所有電壓，而不僅僅只是一些讓測量探針跳動的未定義接地。

　　圖6? 單塊PCB上的接地混合信號器件

　　所有有噪數字電流均通過數字電源流至數字接地層，然后再返回至數字電源，以此來隔離于電路板的敏感模擬部分。模擬和數字接地層在數據轉換器處交匯在一起時，形成系統的星形接地點。這種方法在使用單獨PCB和單個數據轉換器的簡易系統中一般有效，但是它并不是很適合于多卡和多轉換器系統。如果不同PCB上有幾個數據轉換器，這種方法便無效，因為模擬和數字接地系統在PCB上每個轉換器處都交匯在一起，形成許多接地環路。

　　假設一個設計人員正在使用一塊擁有3個DAC和2個ADC的8層PCB。為了最小化噪聲，模擬和數字接地層應固定連接在所有ADC和數模轉換器（DAC）芯片下面。AGND和DGND引腳應相互連接，并且連接模擬接地層，同時模擬和數字接地層應單獨連接回電源。電源應進入數字分區電路板，并直接給數字電路供電，然后經過濾波或者調節以后給模擬電路供電。這樣，應僅把數字接地層連接回電源。圖7顯示了經過分區的模擬和數字接地層，以及多數據轉換器PCB的電源連接。