讓接地不再棘手:高質(zhì)量接地技術(shù)解決辦法

　　接地?zé)o疑是系統(tǒng)設(shè)計中最為棘手的問題之一。盡管它的概念相對比較簡單，實(shí)施起來卻很復(fù)雜，遺憾的是，它沒有一個簡明扼要可以用詳細(xì)步驟描述的方法來保證取得良好效果，但如果在某些細(xì)節(jié)上處理不當(dāng)，可能會導(dǎo)致令人頭痛的問題。

　　對于線性系統(tǒng)而言，“地”是信號的基準(zhǔn)點(diǎn)。遺憾的是，在單極性電源系統(tǒng)中，它還成為電源電流的回路。接地策略應(yīng)用不當(dāng)，可能嚴(yán)重?fù)p害高精度線性系統(tǒng)的性能。

　　對于所有模擬設(shè)計而言，接地都是一個不容忽視的問題，而在基于PCB的電路中，適當(dāng)實(shí)施接地也具有同等重要的意義。幸運(yùn)的是，某些高質(zhì)量接地原理，特別是接地層的使用，對于PCB環(huán)境是固有不變的。由于這一因素是基于PCB的模擬設(shè)計的顯著優(yōu)勢之一，我們將在本文中對其進(jìn)行重點(diǎn)討論。

　　我們必須對接地的其他一些方面進(jìn)行管理，包括控制可能導(dǎo)致性能降低的雜散接地和信號返回電壓。這些電壓可能是由于外部信號耦合、公共電流導(dǎo)致的，或者只是由于接地導(dǎo)線中的過度IR壓降導(dǎo)致的。適當(dāng)?shù)夭季€、布線的尺寸，以及差分信號處理和接地隔離技術(shù)，使得我們能夠控制此類寄生電壓。

　　我們將要討論的一個重要主題是適用于模擬/數(shù)字混合信號環(huán)境的接地技術(shù)。事實(shí)上，高質(zhì)量接地這個問題可以—也必然—影響到混合信號PCB設(shè)計的整個布局原則。

　　目前的信號處理系統(tǒng)一般需要混合信號器件，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和快速數(shù)字信號處理器(DSP)。由于需要處理寬動態(tài)范圍的模擬信號，因此必須使用高性能ADC和DAC。在惡劣的數(shù)字環(huán)境內(nèi)，能否保持寬動態(tài)范圍和低噪聲與采用良好的高速電路設(shè)計技術(shù)密切相關(guān)，包括適當(dāng)?shù)男盘柌季€、去耦和接地。

　　過去，一般認(rèn)為“高精度、低速”電路與所謂的“高速”電路有所不同。對于ADC和DAC，采樣(或更新)頻率一般用作區(qū)分速度標(biāo)準(zhǔn)。不過，以下兩個示例顯示，實(shí)際操作中，目前大多數(shù)信號處理IC真正實(shí)現(xiàn)了“高速”，因此必須作為此類器件來對待，才能保持高性能。DSP、ADC和DAC均是如此。

　　所有適合信號處理應(yīng)用的采樣ADC(內(nèi)置采樣保持電路的ADC)均采用具有快速上升和下降時間(一般為數(shù)納秒)的高速時鐘工作，即使呑吐量看似較低也必須視為高速器件。例如，中速12位逐次逼近型(SAR) ADC可采用10 MHz內(nèi)部時鐘工作，而采樣速率僅為500 kSPS。

　　Σ-Δ型ADC具有高過采樣比，因此還需要高速時鐘。即使是高分辨率的所謂“低頻”工業(yè)測量ADC(例如AD77xx-系列)吞吐速率達(dá)到10 Hz至7.5 kHz，也采用5 MHz或更高時鐘頻率工作，并且提供高達(dá)24位的分辨率。

　　更復(fù)雜的是，混合信號IC具有模擬和數(shù)字兩種端口，因此如何使用適當(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù)就顯示更加錯綜復(fù)雜。此外，某些混合信號IC具有相對較低的數(shù)字電流，而另一些具有高數(shù)字電流。很多情況下，這兩種類型的IC需要不同的處理，以實(shí)現(xiàn)最佳接地。

　　數(shù)字和模擬設(shè)計工程師傾向于從不同角度考察混合信號器件，本文旨在說明適用于大多數(shù)混合信號器件的一般接地原則，而不必了解內(nèi)部電路的具體細(xì)節(jié)。

　　通過以上內(nèi)容，顯然接地問題沒有一本快速手冊。遺憾的是，我們并不能提供可以保證接地成功的技術(shù)列表。我們只能說忽視一些事情，可能會導(dǎo)致一些問題。在某一個頻率范圍內(nèi)行之有效的方法，在另一個頻率范圍內(nèi)可能行不通。另外還有一些相互沖突的要求。處理接地問題的關(guān)鍵在于理解電流的流動方式。

　　星型接地

　　“星型”接地的理論基礎(chǔ)是電路中總有一個點(diǎn)是所有電壓的參考點(diǎn)，稱為“星型接地”點(diǎn)。我們可以通過一個形象的比喻更好地加以理解—多條導(dǎo)線從一個共同接地點(diǎn)呈輻射狀擴(kuò)展，類似一顆星。星型點(diǎn)并不一定在外表上類似一顆星—它可能是接地層上的一個點(diǎn)—但星型接地系統(tǒng)上的一個關(guān)鍵特性是：所有電壓都是相對于接地網(wǎng)上的某個特定點(diǎn)測量的，而不是相對于一個不確定的“地”(無論我們在何處放置探頭)。

　　雖然在理論上非常合理，但星型接地原理卻很難在實(shí)際中實(shí)施。舉例來說，如果系統(tǒng)采用星型接地設(shè)計，而且繪制的所有信號路徑都能使信號間的干擾最小并可盡量避免高阻抗信號或接地路徑的影響，實(shí)施問題便隨之而來。在電路圖中加入電源時，電源就會增加不良的接地路徑，或者流入現(xiàn)有接地路徑的電源電流相當(dāng)大和/或具有高噪聲，從而破壞信號傳輸。為電路的不同部分單獨(dú)提供電源(因而具有單獨(dú)的接地回路)通?？梢员苊膺@個問題。例如，在混合信號應(yīng)用中，通常要將模擬電源和數(shù)字電源分開，同時將在星型點(diǎn)處相連的模擬地和數(shù)字地分開。

　　單獨(dú)的模擬地和數(shù)字地

　　事實(shí)上，數(shù)字電路具有噪聲。飽和邏輯(例如TTL和CMOS)在開關(guān)過程中會短暫地從電源吸入大電流。但由于邏輯級的抗擾度可達(dá)數(shù)百毫伏以上，因而通常對電源去耦的要求不高。相反，模擬電路非常容易受噪聲影響—包括在電源軌和接地軌上—因此，為了防止數(shù)字噪聲影響模擬性能，應(yīng)該把模擬電路和數(shù)字電路分開。這種分離涉及到接地回路和電源軌的分開，對混合信號系統(tǒng)而言可能比較麻煩。

　　然而，如果高精度混合信號系統(tǒng)要充分發(fā)揮性能，則必須具有單獨(dú)的模擬地和數(shù)字地以及單獨(dú)電源，這一點(diǎn)至關(guān)重要。事實(shí)上，雖然有些模擬電路采用+5 V單電源供電運(yùn)行，但并不意味著該電路可以與微處理器、動態(tài)RAM、電扇或其他高電流設(shè)備共用相同+5 V高噪聲電源。模擬部分必須使用此類電源以最高性能運(yùn)行，而不只是保持運(yùn)行。這一差別必然要求我們對電源軌和接地接口給予高度注意。

　　請注意，系統(tǒng)中的模擬地和數(shù)字地必須在某個點(diǎn)相連，以便讓信號都參考相同的電位。這個星點(diǎn)(也稱為模擬/數(shù)字公共點(diǎn))要精心選擇，確保數(shù)字電流不會流入系統(tǒng)模擬部分的地。在電源處設(shè)置公共點(diǎn)通常比較便利。

　　許多ADC和DAC都有單獨(dú)的“模擬地”(AGND)和“數(shù)字地”(DGND)引腳。在設(shè)備數(shù)據(jù)手冊上，通常建議用戶在器件封裝處將這些引腳連在一起。這點(diǎn)似乎與要求在電源處連接模擬地和數(shù)字地的建議相沖突;如果系統(tǒng)具有多個轉(zhuǎn)換器，這點(diǎn)似乎與要求在單點(diǎn)處連接模擬地和數(shù)字地的建議相沖突。

　　其實(shí)并不存在沖突。這些引腳的“模擬地”和“數(shù)字地”標(biāo)記是指引腳所連接到的轉(zhuǎn)換器內(nèi)部部分，而不是引腳必須連接到的系統(tǒng)地。對于ADC，這兩個引腳通常應(yīng)該連在一起，然后連接到系統(tǒng)的模擬地。由于轉(zhuǎn)換器的模擬部分無法耐受數(shù)字電流經(jīng)由焊線流至芯片時產(chǎn)生的壓降，因此無法在IC封裝內(nèi)部將二者連接起來。但它們可以在外部連在一起。

　　圖1顯示了ADC的接地連接這一概念。這樣的引腳接法會在一定程度上降低轉(zhuǎn)換器的數(shù)字噪聲抗擾度，降幅等于系統(tǒng)數(shù)字地和模擬地之間的共模噪聲量。但是，由于數(shù)字噪聲抗擾度經(jīng)常在數(shù)百或數(shù)千毫伏水平，因此一般不太可能有問題。

　　模擬噪聲抗擾度只會因轉(zhuǎn)換器本身的外部數(shù)字電流流入模擬地而降低。這些電流應(yīng)該保持很小，通過確保轉(zhuǎn)換器輸出沒有高負(fù)載，可以最大程度地減小電流。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的好方法是在ADC輸出端使用低輸入電流緩沖器，例如CMOS緩沖器-寄存器IC。

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　　圖1. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的模擬地(AGND)和數(shù)字地(DGND)引腳應(yīng)返回到系統(tǒng)模擬地。

　　如果轉(zhuǎn)換器的邏輯電源利用一個小電阻隔離，并且通過0.1 μF (100 nF)電容去耦到模擬地，則轉(zhuǎn)換器的所有快速邊沿數(shù)字電流都將通過該電容流回地，而不會出現(xiàn)在外部地電路中。如果保持低阻抗模擬地，而能夠充分保證模擬性能，那么外部數(shù)字地電流所產(chǎn)生的額外噪聲基本上不會構(gòu)成問題。