混合信號系統(tǒng)接地揭秘之第一部分

圖2所示電路靠VDig和DGND之間的去耦電容器來使數(shù)字瞬態(tài)電流隔離在小環(huán)路中。但是，如果數(shù)字電流足夠大，并且有組件在DC或者低頻下，則該去耦電容器可能必須非常的大，而這是不實際的。VDig和DGND之間環(huán)路之外的任何數(shù)字電流，必須流經模擬接地層。這可能會降低性能，特別是在高分辨率系統(tǒng)中更是如此。圖3顯示了一種適用于強數(shù)字電流混合信號器件的替代接地方法。數(shù)據(jù)轉換器的AGND引腳連接至模擬接地層，而DGND引腳則連接至數(shù)字接地層。數(shù)字電流也隔離于模擬接地層，但兩個接地層之間的噪聲卻直接作用于器件的AGND和DGND引腳之間。模擬和數(shù)字電路必須獲得有效的隔離。AGND和DGND引腳之間的噪聲必須不能過大，否則會降低內部噪聲余量，或者引起內部模擬電路損壞。

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層之間形成。如果其超出0.3V，這些電壓可能會損壞混合信號IC，因為它們直接出現(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層之間提供一個DC連接，并在數(shù)兆赫茲頻率時對其進行隔離，此時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，則在必要時應將它們連接在一起。

跳線和/或帶選項允許我們嘗試兩種方法，以驗證哪種方法能夠獲得最佳總系統(tǒng)性能。

隔離還是分割：哪一種對接地層重要?

一個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。開關期間，邏輯飽和從其電流吸引強、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)字邏輯可能會干擾低級模擬電路。因此，這個問題應該是如何防止數(shù)字邏輯接地電流污染混合信號PCB上的低級模擬電路。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、復雜系統(tǒng)中。

圖 3 高內部數(shù)字電流數(shù)據(jù)轉換器接地

共有兩條基本的電磁兼容(EMC)原則：

1、 電流應返回其本地源，并且要盡可能地緊湊。否則，應構建環(huán)路天線。

2、 一個系統(tǒng)應只有一個基準層，因為兩個基準會形成一個偶極天線。

在EMC測試期間，當在接地或者電源層中某個插槽或者縫隙之間布置線路時可觀察到大多數(shù)問題。由于這種布線會引起輻射和串擾問題，因此我們不建議使用。

重要的是，清楚地知道某個分割層中的接地電流如何流動以及流向何處。大多數(shù)設計人員只想到了信號電流流向何處，而忽略了返回電流的路徑。高頻信號有一個特點：沿阻抗(電感)最低的路徑流動。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。電流在該層內會微有擴散，并且保持在線路下面。本質上而言，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線路下面。這會形成一條最小阻抗的路徑。

圖 4 返回電流分布情況

返回路徑的電流分布曲線為：

IO為總信號電流(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接地層的模擬部分，因此不會損壞模擬信號。

就基準層而言，過孔間隙部分不干擾返回電流路徑，這一點很重要。如果存在障礙，返回電流便會另尋路徑繞過它，如圖5所示。但是，這種布線最有可能會引起電流的電磁場，干擾其它信號線路的磁場，從而產生串擾問題。另外，這種障礙會對它上面的線路阻抗產生不利影響，導致不連續(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