所有信號(hào)處理系統(tǒng)都要求混合信號(hào)器件,例如:模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 等。對(duì)于寬動(dòng)態(tài)范圍模擬信號(hào)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(shè)計(jì)方法,例如:正確的信號(hào) 布局、去耦和接地等。
毫無疑問,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,接地是我們討論最多的話題之一。盡管基本概念十分簡(jiǎn)單,但實(shí)現(xiàn)起來卻并不容易。就線性系統(tǒng)而言,接地是信號(hào)建立的參考基準(zhǔn), 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(cuò)誤的接地方法會(huì)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(jié)果,但我 們可以注意幾個(gè)容易引發(fā)問題的方面。
本系列文章將為您詳細(xì)介紹混合信號(hào)系統(tǒng)使用的一些接地方法,它共分兩個(gè)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(shù)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。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的一個(gè)術(shù)語是星形接地。這個(gè)術(shù)語的意思是,某個(gè)電路中所有電壓均指一個(gè)單接地點(diǎn),也即星形接地點(diǎn)。它的關(guān)鍵特性是,在接地網(wǎng)絡(luò) 中,對(duì)特定點(diǎn)的所有電壓進(jìn)行測(cè)量,而不僅僅是某個(gè)非定義接地(不管探針定在何處)。特別需要指出,這種方法實(shí)現(xiàn)起來很困難。
例如,在一個(gè)星形接地系統(tǒng)中, 為了最小化信號(hào)相互作用和高阻抗信號(hào)或接地通路產(chǎn)生的效應(yīng)而擬定出所有信號(hào)通路,會(huì)帶來實(shí)現(xiàn)問題。當(dāng)給電路添加電源時(shí),它們會(huì)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(qiáng)或噪聲較多,以致于破壞信號(hào)傳輸。
圖1:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的AGND和DGND引腳
數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)工程師們往往會(huì)從各個(gè)不同角度來查看混合信號(hào)器件,但每名使用混合信號(hào)器件的工程師都會(huì)注意到模擬接地 (AGND) 和數(shù)字接地 (DGND)。對(duì)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(biāo)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(yīng)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(shè)計(jì)人員有時(shí)想而有時(shí)又不想讓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為系統(tǒng) 的星形接地點(diǎn)。我們應(yīng)該如何做呢?
如圖1所示,混合信號(hào)IC內(nèi)的接地一般會(huì)保持獨(dú)立,目的是避免數(shù)字信號(hào)耦合進(jìn)入模擬電路。對(duì)于連接芯片上焊墊至封裝引腳相關(guān)的內(nèi)部電感和電阻(相比電 感可忽略不計(jì)),IC設(shè)計(jì)人員沒有一點(diǎn)辦法。快速變化的數(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(huì)通過雜散電容耦合進(jìn)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(jìn)一步的耦合,我們應(yīng)使用最短的導(dǎo)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(diǎn)外部阻抗都會(huì)引起更多的數(shù)字噪聲,而其反過來又會(huì)通過雜散電容讓更多的數(shù)字噪聲耦合進(jìn)入模擬電路。
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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(jìn)行計(jì)算才能確定總線線路的壓降,因?yàn)榇蠖鄶?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(shí)現(xiàn)一個(gè)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(dǎo)體方式,大量金屬材料實(shí)現(xiàn)最低程度電阻和電感。
接地層起到一個(gè)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(duì)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(hào)通過傳輸線路(微波傳輸帶或者帶狀線)方法進(jìn)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(yīng)該將它們連接到模擬接地層、數(shù)字接地層還是兩個(gè)都連呢?
請(qǐng)記住,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是模擬的!因此,AGND和DGND引腳應(yīng)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(hào)將出現(xiàn)數(shù)字噪聲,因?yàn)樗?可能為單端,并且參考模擬接地層。連接這兩個(gè)引腳至靜態(tài)模擬接地層,會(huì)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?yàn)?,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(yīng)為非常小,并且通過確保轉(zhuǎn)換器輸出不驅(qū)動(dòng)大扇出得到最小化。
可能的情況是,設(shè)計(jì)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(gè)復(fù)雜的數(shù) 字濾波器,其相當(dāng)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(hào)器件)均為模擬。在所有系統(tǒng)中,模擬信號(hào)層都位于所有模擬電路和混合信號(hào)器件放置的地方。同樣,數(shù)字信號(hào)層擁有所有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理電路。模擬與數(shù)字接地層應(yīng)有同各自信號(hào)層相同的尺寸和形狀。
圖2概述了低數(shù)字電流混合信號(hào)器件接地的方法。該模擬接地層沒有被損壞,因?yàn)樾?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(gè)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(diǎn)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
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模擬和數(shù)字接地層的連接
圖2和3顯示了連接模擬和數(shù)字接地層的備選背靠背肖特基二極管。該肖特基二極管防止大DC電壓或者低頻電壓尖峰在兩個(gè)層之間形成。如果其超出0.3V,這些電壓可能會(huì)損壞混合信號(hào)IC,因?yàn)樗鼈冎苯映霈F(xiàn)在AGND和DGND引腳之間。
作為一種背靠背肖特基二極管的替代方法,鐵氧體磁珠可以在兩個(gè)層之間提供一個(gè)DC連接,并在數(shù)兆赫茲頻率時(shí)對(duì)其進(jìn)行隔離,此時(shí)鐵氧體磁珠電阻增加。這 種方法可防止IC受到AGND和DGND之間DC電壓的損壞,但是這種鐵氧體磁珠提供的DC連接會(huì)引入討厭的DC接地環(huán)路,其可能不適合于高分辨率系統(tǒng)。 只要在高數(shù)字電流IC特殊情況下AGND和DGND引腳被隔離,則在必要時(shí)應(yīng)將它們連接在一起。
跳線和/或帶選項(xiàng)允許我們嘗試兩種方法,以驗(yàn)證哪種方法能夠獲得最佳總系統(tǒng)性能。
隔離還是分割:哪一種對(duì)接地層重要?
一個(gè)常見問題是如何隔離接地,以讓模擬電路不干擾數(shù)字電路。眾所周知,數(shù)字電路噪聲較大。開關(guān)期間,邏輯飽和從其電流吸引強(qiáng)、快速電流尖峰。相反,模 擬電路非常容易受到噪聲的影響。模擬電路可能不會(huì)干擾數(shù)字邏輯。相反,可能的情況是,高速數(shù)字邏輯可能會(huì)干擾低級(jí)模擬電路。因此,這個(gè)問題應(yīng)該是如何防止 數(shù)字邏輯接地電流污染混合信號(hào)PCB上的低級(jí)模擬電路。我們首先想到的可能是分割接地層以將DGND隔離于AGND。盡管分割層方法可以起作用,但它存在 許多問題—特別是在一些大型、復(fù)雜系統(tǒng)中。
圖3:高內(nèi)部數(shù)字電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接地
1、電流應(yīng)返回其本地源,并且要盡可能地緊湊。否則,應(yīng)構(gòu)建環(huán)路天線。
2、一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)只有一個(gè)基準(zhǔn)層,因?yàn)閮蓚€(gè)基準(zhǔn)會(huì)形成一個(gè)偶極天線。
在EMC測(cè)試期間,當(dāng)在接地或者電源層中某個(gè)插槽或者縫隙之間布置線路時(shí)可觀察到大多數(shù)問題。由于這種布線會(huì)引起輻射和串?dāng)_問題,因此我們不建議使用。
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重要的是,清楚地知道某個(gè)分割層中的接地電流如何流動(dòng)以及流向何處。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員只想到了信號(hào)電流流向何處,而忽略了返回電流的路徑。高頻信號(hào)有一 個(gè)特點(diǎn):沿阻抗(電感)最低的路徑流動(dòng)。路徑電感由路徑圈起的環(huán)路面積大小決定。電流返回源必須經(jīng)過的面積越大,電感也就越大。最小電感路徑直接靠近線 路。因此,不管是哪一層—電源或者接地—返回電流都在與線路相鄰的層上流動(dòng)。電流在該層內(nèi)會(huì)微有擴(kuò)散,并且保持在線路下面。本質(zhì)上而言,其精確分布情況與 高斯曲線類似。圖4表明,返回電流直接位于信號(hào)線路下面。這會(huì)形成一條最小阻抗的路徑。
圖4:返回電流分布情況
IO為總信號(hào)電流(A),h為線路厚度(cm),而D為距離線路的長度(cm)。由該方程式我們可知道,數(shù)字接地電流不愿流經(jīng)接地層的模擬部分,因此不會(huì)損壞模擬信號(hào)。
就基準(zhǔn)層而言,過孔間隙部分不干擾返回電流路徑,這一點(diǎn)很重要。如果存在障礙,返回電流便會(huì)另尋路徑繞過它,如圖5所示。但是,這種布線最有可能會(huì)引 起電流的電磁場(chǎng),干擾其它信號(hào)線路的磁場(chǎng),從而產(chǎn)生串?dāng)_問題。另外,這種障礙會(huì)對(duì)它上面的線路阻抗產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致不連續(xù)以及EMI增加。
本系列文章第2部分將討論分割接地層存在的利和弊,并說明多轉(zhuǎn)換器和多板系統(tǒng)的接地方法。
圖5:有無插槽兩種情況的返回電流
總結(jié):高級(jí)工程師果然就是厲害,相信廣大網(wǎng)友看到后一定會(huì)對(duì)接地不再愁,個(gè)個(gè)都是接地專家!
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