混合信号接地的困惑根源：对多卡系统应用单卡接地概念

10.混合信号接地的困惑根源 ：对多卡系统应用单卡接地概念

大多数 ADC、DAC 和其他混合信号器件数据手册是针对单个 PCB 讨论接地，通常是制造商自己的评估板。将这些原理应用于多卡或多 ADC/DAC 系统时，就会让人感觉困惑茫然。通常建议将 PCB 接地层分为模拟层和数字层。另外建议将转换器的 AGND 和 DGND 引脚连接在一起，并且在同一点连接模拟接地层和数字接地层，如图 8 所示。这样就基本在混合信号器件上产生了系统"星型"接地。

所有高噪声数字电流通过数字电源流入数字接地层，再返回数字电源 ；与电路板敏感的模拟部分隔离开。系统星型接地结构出现在混合信号器件中模拟和数字接地层连接在一起的位置。该方法一般用于具有单个 PCB 和单个 ADC/DAC 的简单系统，通常不适合多卡混合信号系统。在不同 PCB（或适用情况的相同 PCB 上）上具有数个 ADC 或 DAC 的系统中，模拟和数字接地层在数个点连接，使得建立接地环路成为可能，而单点“星型”接地系统 则不可能。鉴于以上原因，此接地方法不适用于多卡系统，上述方法应当用于具有低数字电流的混合信号 IC。

总结 ：多卡系统中具有低数字电流的混合信号器件的接地

图 9 总结了上述具有低数字电流的混合信号器件的接地方法。由于小数字瞬态电流流入去耦电容 VD 与 DGND（显示为粗实线）间的小环路，模拟接地层未被破坏。混合信号器件适合作为模拟元件的所有应用。接地层间的噪声 VN 会降低数字接口上的噪声裕量，但如果使用低阻抗数字接地层保持在 300 mV 以下，且一直回到系统星型接地，则一般无不利影响。

不过，Σ-Δ 型 ADC、编解码器和 DSP 等具有片内模拟功能的混合信号器件数字化密集度越来越高。再加上其他数字电路，使数字电流和噪声越来越大。例如，Σ-Δ 型 ADC 或DAC 含有复杂的数字滤波器，会大量增加器件内的数字电流。上述方法依靠 VD 与 DGND间的去耦电容，将数字瞬态电流隔离在小环路内。不过，如果数字电流太大，且具有直流或低频成分，去耦电容可能因过大而变得不可行。在 VD 与 DGND 间的环路外流动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。

要预测流入模拟接地层的多大数字电流会让系统无法接受很困难。目前我们只能推荐可能提供较佳性能的替代接地方法。

总结 ：多卡系统中具有高数字电流的混合信号器件的接地（请谨慎使用本方法！）

图 10 中显示了适合高数字电流混合信号器件的替代接地方法。混合信号器件的 AGND 连接到模拟接地层，而 DGND 连接到数字接地层。数字电流与模拟接地层隔离开，但两个接地层之间的噪声直接施加于器件的 AGND 与 DGND 引脚间。为了成功实施本方法，混合信号器件内的模拟和数字电路必须充分隔离。AGND 与 DGND 引脚间的噪声不得过大，以免降低内部噪声裕量或损坏内部模拟电路。

图 10 显示可选用连接模拟和数字接地层的肖特基二极管（背对背）或铁氧体磁珠。肖特基二极管可防止两层两端产生大的直流电压或低频电压尖峰。如果这些电压超过 300 mV，由于是直接出现在 AGND 与 DGND 引脚之间，可能会损坏混合信号 IC。作为背对背肖特基二极管的备选器件，铁氧体磁珠可在两层间提供直流连接，但在高于数 MHz 的频率下，由于铁氧体磁珠变为电阻，会导致隔离。这可以保护 IC 不受 AGND 与 DGND 间直流电压的影响，但铁氧体磁珠提供的直流连接可能引入无用的直流接地环路，因此可能不适合高分辨率系统。

AGND 与 DGND 引脚在具有高数字电流的特殊 IC 内分离时，必要时应设法将其连接在一起。通过跳线和 / 或带线选项，可以尝试两种方法，看看哪一种提供最佳的系统整体性能。

11.接地总结

没有单一一种接地方法能始终保证最佳性能！本节根据所考虑的特定混合信号器件特性提出了几种可能的选项。但在实施初始 PC 板布局时，提供尽可能多的选项会很有帮助。

PC 板必须至少有一层专用于接地层！初始电路板布局应提供非重叠的模拟和数字接地层，如果需要，应在数个位置提供焊盘和过孔，以便安装背对背肖特基二极管或铁氧体磁珠。提供焊盘和过孔也极为重要，需要时可以使用跳线将模拟和数字接地层连接在一起。目前，预测“多点”（单一接地层）还是“星型”接地（分离模拟和数字接地层）方法能提供最佳整体系统性能还很困难 ；因此，可能需要使用跳线对最终 PC 板做一些实验。

如有疑问，最好先分离模拟和数字接地层，以后再用跳线连接，而不要一开始就使用单一接地层，随后又尝试分离！

混合信号系统的一些通用 PC 板布局指南

很显然，多关注系统布局并防止不同信号彼此干扰，可以将噪声降至最低。高电平模拟信号应与低电平模拟信号隔离开，两者均应远离数字信号。我们曾经在波形采样和重建系统中发现，采样时钟（数字信号）与模拟信号一样易受噪声影响，同时与数字信号一样易于产生噪声，因此必须与模拟和数字系统都隔离开。如果在时钟分配中使用时钟驱动器封装，应仅有一个频率时钟通过单个封装。在相同封装内的不同频率时钟间共享驱动器将产生过度抖动和串扰，并降低性能。

在敏感信号穿过的地方，接地层可发挥屏蔽作用。图 11 显示了数据采集电路板的良好布局，其中所有敏感区域彼此隔离开，且信号路径尽量短。虽然实际布局不太可能如此整洁，但基本原则仍然适用。

执行信号和电源连接时有许多要点需要考虑。首先，连接器是系统中所有信号传输线必须并行的几个位置之一，因此它们必须与接地引脚分开（形成法拉第屏蔽），以减少其间的耦合。

多接地引脚非常重要还有另一原因 ：可以降低电路板与背板间结点的接地阻抗。对于新电路板，PCB 连接器单一引脚的接触电阻很低（10 mΩ 水平），随着电路板变旧，接触电阻可能升高，电路板性能会受影响。因此通过分配额外 PCB 连接器引脚来增加接地连接很有必要（PCB 连接器上所有引脚中约 30 至 40% 应为接地引脚）。出于同样的理由，每个电源连接应有数个引脚，当然数量不必像接地引脚一样多。

　　审核编辑：汤梓红