实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团(MT-031)

实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团Grounding Data Converters and Solving the Mystery of

"AGND" and "DGND"

author：Walt Kester, James Bryant, and Mike Byrne

介绍：

今天的信号处理系统一般都要求混合信号设备，如模拟到数字转换器（ADC）和数字到模拟转换器（DAC），还有快速数字信号处理器（DSP）。要求处理模拟信号要有宽的动态范围，来增加高性能ADC 和DAC的价值。在敌对的数字环境中，要保持有低噪声的宽动态范围取决于好的高速电路设计技术，包括合适的信号布线，去耦，和接地。

在过去，“高精密，低速”电路一般被显为不同于所谓的“高速”电路。相对于ADC和DAC，采样（更新）频率一般被用来区分速度标准。当然，下面列举了两个在实际中的例子，在今天的大多数信号处理IC是真正的“高速”，因此必须这样对待它，为了保持它的高性能。这的确符合于DSP和ADC、DAC。

所有带有快的上升和下降时间（一般几纳秒）的高速时钟采样ADC（ADC带有内部采样保持电路）都适合于信号处理应用，它必须被看作高速设备，即使它的吞吐率较低。如，一个中速12位逐次逼近型（SAR）ADC可以工作在10MHz的内部时钟，它的采样速率只有500KSPS。

Sigma-delta（Σ-Δ）ADC也要求高速时钟，因为它们要有高的

过采样率。甚至所谓的高分辨率“低频”的Σ-Δ工业测量ADC（吞吐率在10Hz至7.5KHz）工作在5MHz或较高的时钟和提供分辨率达到24位（如，Analog Devices AD77xx-series）。

长远的复杂问题是，混合信号IC有模拟和数字端口，因为这，更多的混淆是对于合适的接地技术。另外，有些混合IC有相对较低的数字电流，同时其它的有较高的数字电流。在很多情况下，在最佳接地方面这两种情况必须要不同的对待。

数字和模拟设计工程师趋向于从不同的观点看待混合信号设备，这个向导的目的是去开发普通的接地理念，它将适合于大多数混合信号设备，而不必对它们的内部电路特别了解。

地和电源层：

保持大面积地平面的低阻抗是重要的，对于现今的模拟和数字电路是很关键的。地平面不仅担当着对高频去耦电流（由快速数字逻辑引起）的低阻抗回路，而且还最小化EMI/RFI的辐射。由于地平面的屏蔽作用，电路对于外界的EMI/RFI的敏感性就会降低。

在要求控制阻抗的地方，在使用传输线技术时（微波传输线或带状引线），平面也可以允许传输高速数字或模拟信号。

“总线”用于“地”是完全不可接受的，因为它的等效阻抗发生在大多数逻辑的过渡频率处。例如，#22标准线有大约20nH/inch的电感。如一个逻辑信号创造一个转换速率在10mA/ns的瞬变电流，在这个频率下流过1英寸的这样的线将会对电压造成200mV的下降。

对于2V峰峰值范围的信号，换算成误差为10%（大约3.5位精度）。即使在全数字电路中，这个误差将造成逻辑噪声边缘的很大下降。

图1显示了数字返回电流混合模拟返回电流的情况的典型图解（顶图）。地返回线的电感和电阻被模拟和数字电路共用，它会引起互调并造成误差。可能的解决方案是把数字返回电流直接流到GND REF，如底图显示。这是“星形”原理，或单点地系统。对包含多个高频返回路径的系统，实现真正的单点接地是很困难的，因为单个电流返回线的实际长度将引入寄生电阻和电感，这对于获得低阻抗的高频地是困难的。实际上，对于高频返回电流要有低阻抗，则电流返回必须由大面积的地平面构成。没有一个低阻抗的地平面，几乎不可能避免共享阻抗，尤其是在高频中。

所有的集成电路地引脚都应该直接焊接到低阻抗的地平面上，以最小化串联电感和电阻。传统IC插座的使用在高速设备中是不被推荐的。即使“低剖面”的插座，由于引入有害的共享路径，它的额外电感和电容也可能降低设备的性能。如果插座必须使用DIP封装，作为模型，单个的“引脚插座”或“cage jack”是可以接受的。这些有管帽或无管帽引脚插座是可用的（AMP部件号5-330808-3和5-330808-6）。它们有用弹簧顶住的黄色触点，这保证了与IC引脚有好的电气和机械连接。多次插入的话，当然，就降低了它们的性能。低、高频去耦：

每个电源都应该通过一个高质量的去耦电解电容连到低阻抗的地平面上。最小化低频噪声在电源线上。对于单个的IC电源引脚仅高频滤波是被要求的。

图2显示了这种技术，正确（左边）和不正确（右边）的例子。在左图中，一个典型的0.1uF的瓷片电容通过过孔直接连到PCB的反面的地平面上，用另一个过孔回到IC的GND上。作为对比，右图的地回路由于PCB线的电感会降低去耦性能（这句采用了我自己的意思）。

在高频（如大于10MHz）IC应该使用旁路设计，类似图2，为获得最好性能。磁珠不是100%必要的，但它们对高频噪声将增加额外的隔离和去耦，这常令人满意。在这可能要检查的是当IC正处理大电流时不能让磁珠饱和。

注意：有些磁珠，即使在全饱和发生之前也可能是非线性的，所以对于功率级要求低失真输出的，就检查。

双层对比多层PCB板：

每一个系统的PCB板至少要有一个完整的层用于地平面。理想地，双层板应该有一层完全地用于地平面，另一层用于互相连接。实际上，这是不可能的，因为一些地平面将必定被信号和电源走线，过孔，通孔所移除。不过，应尽可能的保证面积，至少要剩余75%的地平面。在初步完成布局后，应该仔细检查地平面，以确保没有孤立的地“岛”，因为IC的地引脚在孤立的地“岛”上没有返回地平面的电流回路。还有，在地平面应该检查“内部”和大的面积的连接，它可能明显的降低地平面的性能。不用多说，自动布线技术对于混合信号

板一般会导致布局灾难，所以手工介入被强烈推荐！

对于密集放置表贴IC的系统，会有很多的相互连线，因此多层板是必须的。这允许至少一个层完全用于地。简单的四层板应该有内部地和电源层，外面的两层用于和表贴元件相互连接。放置电源和地平面会为彼此提供内置电容，这对电源的高频去耦是有帮助的。在大多数的系统，四层板是不够的，附加层用于信号布线，和电源层一样。多板混合信号系统：

在多板系统中，最小化地阻抗的最好方法是使用一个“母板”作为底板，用于其它多板的连接，因此要为底板提供一个连续的地平面。PCB的连接头至少应有30~40%的引脚用于地，这些引脚应该连接到母板的地平面上。要完成整个系统的地设计有两种可能：

1.低板地层可以在多点连接，从而散开不同地电流返回路

径。这常叫做多点接地系统，如图3显示。

2.地层可以连接到一个单系统“星形”点（一般在电源处）。

第一个方法常用在全数字电路系统中，但如果到数字电路的地电流足够低且分散到大的面积上，这时也可以用在混合信号系统中。通过PCB板，底板或最终底座的回路的低地阻抗是应该保持的。当然，地连接到金属薄片底座的电气接触要求是很严格的。这要求自动攻丝螺丝或“咬”垫圈。阳极电镀铝就用于底座材料必须仔细，因为它的表面扮演着绝缘体。

第二种方法（“星形地”）常用于有独立的模拟和数字地的高速混合信号系统中，且为长远讨论。