良好接地指導(dǎo)原則

接地?zé)o疑是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為棘手的問(wèn)題之一。盡管它的概念相對(duì)比較簡(jiǎn)單，實(shí)施起來(lái)卻很復(fù)雜，遺憾的是，它沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)明扼要可以用詳細(xì)步驟描述的方法來(lái)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(huì)導(dǎo)致令人頭痛的問(wèn)題。

對(duì)于線(xiàn)性系統(tǒng)而言，“地”是信號(hào)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?chē)?yán)重?fù)p害高精度線(xiàn)性系統(tǒng)的性能。

對(duì)于所有模擬設(shè)計(jì)而言，接地都是一個(gè)不容忽視的問(wèn)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(duì)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(jì)的顯著優(yōu)勢(shì)之一，我們將在本文中對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)討論。

我們必須對(duì)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(hào)返回電壓。這些電壓可能是由于外部信號(hào)耦合、公共電流導(dǎo)致的，或者只是由于接地導(dǎo)線(xiàn)中的過(guò)度IR壓降導(dǎo)致的。適當(dāng)?shù)夭季€(xiàn)、布線(xiàn)的尺寸，以及差分信號(hào)處理和接地隔離技術(shù)，使得我們能夠控制此類(lèi)寄生電壓。

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

目前的信號(hào)處理系統(tǒng)一般需要混合信號(hào)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(hào)處理器(DSP)。由于需要處理寬動(dòng)態(tài)范圍的模擬信號(hào)，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(dòng)態(tài)范圍和低噪聲與采用良好的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)密切相關(guān)，包括適當(dāng)?shù)男盘?hào)布線(xiàn)、去耦和接地。

過(guò)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(duì)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(guò)，以下兩個(gè)示例顯示，實(shí)際操作中，目前大多數(shù)信號(hào)處理IC真正實(shí)現(xiàn)了“高速”，因此必須作為此類(lèi)器件來(lái)對(duì)待，才能保持高性能。DSP、ADC和DAC均是如此。

所有適合信號(hào)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(shí)間(一般為數(shù)納秒)的高速時(shí)鐘工作，即使淄鋁靠此平系鴕脖匭朧游高速器件。例如，中速12位逐次逼近型(SAR) ADC可采用10 MHz內(nèi)部時(shí)鐘工作，而采樣速率僅為500 kSPS。

Σ-Δ型ADC具有高過(guò)采樣比，因此還需要高速時(shí)鐘。即使是高分辨率的所謂“低頻”工業(yè)測(cè)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(shí)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(hào)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(cuò)綜復(fù)雜。此外，某些混合信號(hào)IC具有相對(duì)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(lèi)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(jì)工程師傾向于從不同角度考察混合信號(hào)器件，本文旨在說(shuō)明適用于大多數(shù)混合信號(hào)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(guò)以上內(nèi)容，顯然接地問(wèn)題沒(méi)有一本快速手冊(cè)。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(shuō)忽視一些事情，可能會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題。在某一個(gè)頻率范圍內(nèi)行之有效的方法，在另一個(gè)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(wèn)題的關(guān)鍵在于理解電流的流動(dòng)方式。

星型接地

“星型”接地的理論基礎(chǔ)是電路中總有一個(gè)點(diǎn)是所有電壓的參考點(diǎn)，稱(chēng)為“星型接地”點(diǎn)。我們可以通過(guò)一個(gè)形象的比喻更好地加以理解—多條導(dǎo)線(xiàn)從一個(gè)共同接地點(diǎn)呈輻射狀擴(kuò)展，類(lèi)似一顆星。星型點(diǎn)并不一定在外表上類(lèi)似一顆星—它可能是接地層上的一個(gè)點(diǎn)—但星型接地系統(tǒng)上的一個(gè)關(guān)鍵特性是：所有電壓都是相對(duì)于接地網(wǎng)上的某個(gè)特定點(diǎn)測(cè)量的，而不是相對(duì)于一個(gè)不確定的“地”(無(wú)論我們?cè)诤翁幏胖锰筋^)。

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(lái)說(shuō)，如果系統(tǒng)采用星型接地設(shè)計(jì)，而且繪制的所有信號(hào)路徑都能使信號(hào)間的干擾最小并可盡量避免高阻抗信號(hào)或接地路徑的影響，實(shí)施問(wèn)題便隨之而來(lái)。在電路圖中加入電源時(shí)，電源就會(huì)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(hào)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)通常可以避免這個(gè)問(wèn)題。例如，在混合信號(hào)應(yīng)用中，通常要將模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)，同時(shí)將在星型點(diǎn)處相連的模擬地和數(shù)字地分開(kāi)。

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(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)短暫地從電源吸入大電流。但由于邏輯級(jí)的抗擾度可達(dá)數(shù)百毫伏以上，因而通常對(duì)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(kāi)。這種分離涉及到接地回路和電源軌的分開(kāi)，對(duì)混合信號(hào)系統(tǒng)而言可能比較麻煩。

然而，如果高精度混合信號(hào)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(dòng)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(lèi)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(duì)電源軌和接地接口給予高度注意。

請(qǐng)注意，系統(tǒng)中的模擬地和數(shù)字地必須在某個(gè)點(diǎn)相連，以便讓信號(hào)都參考相同的電位。這個(gè)星點(diǎn)(也稱(chēng)為模擬/數(shù)字公共點(diǎn))要精心選擇，確保數(shù)字電流不會(huì)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(cè)上，通常建議用戶(hù)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(gè)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(duì)于ADC，這兩個(gè)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(wú)法耐受數(shù)字電流經(jīng)由焊線(xiàn)流至芯片時(shí)產(chǎn)生的壓降，因此無(wú)法在IC封裝內(nèi)部將二者連接起來(lái)。但它們可以在外部連在一起。