混合信号系统接地揭秘之第一部分

ADC）。但是，今天的一些拥有片上模拟功能的数据转换器，正变得越来越数字化。随着数字电路的增加，数字电流和噪声也随之增加。例如，∑-△ADC包含一个复杂的数字滤波器，其相当大地增加了器件的数字电流。

低数字电流数据转换器接地

正如我们讲的那样，数据转换器（或者任何混合信号器件）均为模拟。在所有系统中，模拟信号层都位于所有模拟电路和混合信号器件放置的地方。同样，数字信号层拥有所有数字数据处理电路。模拟与数字接地层应有同各自信号层相同的尺寸和形状。

图2概述了低数字电流混合信号器件接地的方法。该模拟接地层没有被损坏，因为小数字瞬态电流存在于本地去耦电容器V_Dig和DGND（绿线）之间的小型环路中。图2还显示了一个位于模拟和数字电源之间的滤波器。共有两类铁氧体磁珠：高Q谐振磁珠和低Q非谐振磁珠。低Q磁珠常用于电源滤波，其与电源连接点串联。

图 2 低内部数字电流数据转换器接地

高数字电流数据转换器接地

图2所示电路靠V_Dig和DGND之间的去耦电容器来使数字瞬态电流隔离在小环路中。但是，如果数字电流足够大，并且有组件在DC或者低频下，则该去耦电容器可能必须非常的大，而这是不实际的。V_Dig和DGND之间环路之外的任何数字电流，必须流经模拟接地层。这可能会降低性能，特别是在高分辨率系统中更是如此。图3显示了一种适用于强数字电流混合信号器件的替代接地方法。数据转换器的AGND引脚连接至模拟接地层，而DGND引脚则连接至数字接地层。数字电流也隔离于模拟接地层，但两个接地层之间的噪声却直接作用于器件的AGND和DGND引脚之间。模拟和数字电路必须获得有效的隔离。AGND和DGND引脚之间的噪声必须不能过大，否则会降低内部噪声余量，或者引起内部模拟电路损坏。

模拟和数字接地层的连接

图2和3显示了连接模拟和数字接地层的备选背靠背肖特基二极管。该肖特基二极管防止大DC电压或者低频电压尖峰在两个层之间形成。如果其超出0.3V，这些电压可能会损坏混合信号IC，因为它们直接出现在AGND和DGND引脚之间。

作为一种背靠背肖特基二极管的替代方法，铁氧体磁珠可以在两个层之间提供一个DC连接，并在数兆赫兹频率时对其进行隔离，此时铁氧体磁珠电阻增加。这种方法可防止IC受到AGND和DGND之间DC电压的损坏，但是这种铁氧体磁珠提供的DC连接会引入讨厌的DC接地环路，其可能不适合于高分辨率系统。只要在高数字电流IC特殊情况下AGND和DGND引脚被隔离，则在必要时应将它们连接在一起。

跳线和/或带选项允许我们尝试两种方法，以验证哪种方法能够获得最佳总系统性能。

隔离还是分割：哪一种对接地层重要？

一个常见问题是如何隔离接地，以让模拟电路不干扰数字电路。众所周知，数字电路噪声较大。开关期间，逻辑饱和从其电流吸引强、快速电流尖峰。相反，模拟电路非常容易受到噪声的影响。模拟电路可能不会干扰数字逻辑。相反，可能的情况是，高速数字逻辑可能会干扰低级模拟电路。因此，这个问题应该是如何防止数字逻辑接地电流污染混合信号PCB上的低级模拟电路。我们首先想到的可能是分割接地层以将DGND隔离于AGND。尽管分割层方法可以起作用，但它存在许多问题-特别是在一些大型、复杂系统中。

图 3 高内部数字电流数据转换器接地

共有两条基本的电磁兼容（EMC）原则：

电流应返回其本地源，并且要尽可能地紧凑。否则，应构建环路天线。 一个系统应只有一个基准层，因为两个基准会形成一个偶极天线。

在EMC测试期间，当在接地或者电源层中某个插槽或者缝隙之间布置线路时可观察到大多数问题。由于这种布线会引起辐射和串扰问题，因此我们不建议使用。

重要的是，清楚地知道某个分割层中的接地电流如何流动以及流向何处。大多数设计人员只想到了信号电流流向何处，而忽略了返回电流的路径。高频信号有一个特点：沿阻抗（电感）最低的路径流动。路径电感由路径圈起的环路面积大小决定。电流返回源必须经过的面积越大，电感也就越大。最小电感路径直接靠近线路。因此，不管是哪一层-电源或者接地-返回电流都在与线路相邻的层上流动。电流在该层内会微有扩散，并且保持在线路下面。本质上而言，其精确分布情况与高斯曲线类似。图4表明，返回电流直接位于信号线路下面。这会形成一条最小阻抗的路径。

图 4 返回电流分布情况

返回路径的电流分布曲线为：

I_O为总信号电流（A），h为线路厚度（cm），而D为距离线路的长度（cm）。由该方程式我们可知道，数字接地电流不愿流经接地层的模拟部分，因此不会损坏模拟信号。