良好接地指導(dǎo)原則

采樣時鐘考量

在高性能采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，應(yīng)使用低相位噪聲晶體振蕩器產(chǎn)生ADC(或DAC)采樣時鐘，因為采樣時鐘抖動會調(diào)制模擬輸入/輸出信號，并提高噪聲和失真底。采樣時鐘發(fā)生器應(yīng)與高噪聲數(shù)字電路隔離開，同時接地并去耦至模擬接地層，與處理運算放大器和ADC一樣。

采樣時鐘抖動對ADC信噪比(SNR)的影響可用以下公式4近似計算：

其中，f為模擬輸入頻率，SNR為完美無限分辨率ADC的SNR，此時唯一的噪聲源來自rms采樣時鐘抖動tj。通過簡單示例可知，如果tj = 50 ps (rms)，f = 100 kHz，則SNR = 90 dB，相當(dāng)于約15位的動態(tài)范圍。

應(yīng)注意，以上示例中的tj 實際上是外部時鐘抖動和內(nèi)部ADC時鐘抖動( 稱為孔徑抖動)的方和根(rss)值。不過，在大多數(shù)高性能ADC中，內(nèi)部孔徑抖動與采樣時鐘上的抖動相比可以忽略。

由于信噪比(SNR)降低主要是由于外部時鐘抖動導(dǎo)致的，因而必須采取措施，使采樣時鐘盡量無噪聲，僅具有可能最低的相位抖動。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(小于5 ps rms)的CMOS兼容輸出。

理想情況下，采樣時鐘晶體振蕩器應(yīng)參考分離接地系統(tǒng)中的模擬接地層。但是，系統(tǒng)限制可能導(dǎo)致這一點無法實現(xiàn)。許多情況下，采樣時鐘必須從數(shù)字接地層上產(chǎn)生的更高頻率、多用途系統(tǒng)時鐘獲得，接著必須從數(shù)字接地層上的原點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鐘信號，并產(chǎn)生過度抖動。抖動可造成信噪比降低，還會產(chǎn)生干擾諧波。

圖7. 從數(shù)模接地層進行采樣時鐘分配。

混合信號接地的困惑根源

大多數(shù)ADC、DAC和其他混合信號器件數(shù)據(jù)手冊是針對單個PCB討論接地，通常是制造商自己的評估板。將這些原理應(yīng)用于多卡或多ADC/DAC系統(tǒng)時，就會讓人感覺困惑茫然。通常建議將PCB接地層分為模擬層和數(shù)字層，并將轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND引腳連接在一起，并且在同一點連接模擬接地層和數(shù)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(tǒng)“星型”接地。所有高噪聲數(shù)字電流通過數(shù)字電源流入數(shù)字接地層，再返回數(shù)字電源;與電路板敏感的模擬部分隔離開。系統(tǒng)星型接地結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在混合信號器件中模擬和數(shù)字接地層連接在一起的位置。

該方法一般用于具有單個PCB和單個ADC/DAC的簡單系統(tǒng)，不適合多卡混合信號系統(tǒng)。在不同PCB(甚至在相同PCB上)上具有數(shù)個ADC或DAC的系統(tǒng)中，模擬和數(shù)字接地層在多個點連接，使得建立接地環(huán)路成為可能，而單點“星型”接地系統(tǒng)則不可能。鑒于以上原因，此接地方法不適用于多卡系統(tǒng)，上述方法應(yīng)當(dāng)用于具有低數(shù)字電流的混合信號IC。

圖8. 混合信號IC接地：單個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“接地層”返回，而且該層還可為轉(zhuǎn)換器、基準電壓源和其它子電路提供參考節(jié)點。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所示的簡單電路采用兩層印刷電路板制造，頂層上有一個交直流電流源，其一端連到過孔1，另一端通過一條U形銅走線連到過孔2。兩個過孔均穿過電路板并連到接地層。理想情況下，頂端連接器以及過孔1和過孔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(shè)U形走線，通過接地層返回。

這個簡單原理圖很難顯示出內(nèi)在的微妙之處，但了解電流如何在接地層中從過孔1流到過孔2，將有助于我們看清實際問題所在，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。

圖10所示的直流電流的流動方式，選取了接地層中從過孔1至過孔2的電阻最小的路徑。雖然會發(fā)生一些電流擴散，但基本上不會有電流實質(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來說明。環(huán)路之內(nèi)，沿著環(huán)路所有部分流動的電流所產(chǎn)生的磁場相互增強。環(huán)路之外，不同部分所產(chǎn)生的磁場相互削弱。因此，磁場原則上被限制在環(huán)路以內(nèi)。環(huán)路越大則電感越大，這意味著：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阻抗最低，即所圍面積最小的路徑流動。

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(shù)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形頂部走線正下方。實際應(yīng)用中，接地層電阻會導(dǎo)致低中頻電流流向直接返回路徑與頂部導(dǎo)線正下方之間的某處。不過，即使頻率低至1 MHz或2 MHz，返回路徑也是接近頂部走線的下方。