所有信號處理係統都要求混合信號器件，例如：模數轉換器(ADC)或數模轉換器 (DAC) 等。對於寬動態範圍模擬信號處理的需求


，要求必須使用高性能ADC和DAC。要在高噪聲數字環境下保持性能，依賴於優秀的電路設計方法，例如：正確的信號布局、去耦和接地等。

毫(hao)無(wu)疑(yi)問(wen)，在(zai)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)中(zhong)

，接(jie)地(di)是(shi)我(wo)們(men)討(tao)論(lun)最(zui)多(duo)的(de)話(hua)題(ti)之(zhi)一(yi)。盡(jin)管(guan)基(ji)本(ben)概(gai)念(nian)十(shi)分(fen)簡(jian)單(dan)，但(dan)實(shi)現(xian)起(qi)來(lai)卻(que)並(bing)不(bu)容(rong)易(yi)。就(jiu)線(xian)性(xing)係(xi)統(tong)而(er)言(yan)，接(jie)地(di)是(shi)信(xin)號(hao)建(jian)立(li)的(de)參(can)考(kao)基(ji)準(zhun)，而(er)不(bu)幸(xing)的(de)是(shi)，它(ta)也(ye)成(cheng)為(wei)單(dan)極(ji)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)中(zhong)電(dian)源(yuan)電(dian)流(liu)的(de)返(fan)回(hui)通(tong)路(lu)。錯(cuo)誤(wu)的(de)接(jie)地(di)方(fang)法(fa)會(hui)降(jiang)低(di)高(gao)精(jing)度(du)線(xian)性(xing)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)。沒(mei)有(you)哪(na)一(yi)種(zhong)教(jiao)程(cheng)能(neng)夠(gou)保(bao)證(zheng)一(yi)定(ding)能(neng)獲(huo)得(de)理(li)想(xiang)的(de)結(jie)果(guo)
，但(dan)我(wo) 們可以注意幾個容易引發問題的方麵。

zaixitongshejizhongjingchangshiyongdeyigeshuyushixingxingjiedi。zhegeshuyudeyisishi，mougedianluzhongsuoyoudianyajunzhiyigedanjiedidian，yejixingxingjiedidian。tadeguanjiantexingshi
，zaijiediwangluo 中
，對特定點的所有電壓進行測量
，而不僅僅是某個非定義接地（不管探針定在何處）。特te別bie需xu要yao指zhi出chu
，這zhe種zhong方fang法fa實shi現xian起qi來lai很hen困kun難nan。例li如ru，在zai一yi個ge星xing形xing接jie地di係xi統tong中zhong，為wei了le最zui小xiao化hua信xin號hao相xiang互hu作zuo用yong和he高gao阻zu抗kang信xin號hao或huo接jie地di通tong路lu產chan生sheng的de效xiao應ying而er擬ni定ding出chu所suo有you信xin號hao通tong路lu，會hui帶dai來lai實shi現xian問wen題ti。當dang給gei電dian路lu添tian加jia電dian源yuan時shi，它ta們men會hui增zeng加jia非fei理li想xiang接jie地di通tong路lu，或huo者zhe其qi 現有接地通路中電源電流較強或噪聲較多
，以致於破壞信號傳輸。


混合信號器件中AGND和DGND引腳解釋

數字和模擬設計工程師們往往會從各個不同角度來查看混合信號器件，但每名使用混合信號器件的工程師都會注意到模擬接地 (AGND) 和數字接地 (DGND)。對於如何處理這些接地，許多人感到困惑，而多數困惑均來自於如何標示ADC接地引腳。注意，引腳名稱AGND和DGND是指該組件的內部情 況(kuang)
，並(bing)不(bu)必(bi)然(ran)表(biao)明(ming)你(ni)應(ying)該(gai)在(zai)外(wai)部(bu)如(ru)何(he)操(cao)作(zuo)。數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)器(qi)數(shu)據(ju)表(biao)通(tong)常(chang)建(jian)議(yi)將(jiang)模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)接(jie)地(di)捆(kun)綁(bang)在(zai)器(qi)件(jian)上(shang)。但(dan)是(shi)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)有(you)時(shi)想(xiang)而(er)有(you)時(shi)又(you)不(bu)想(xiang)讓(rang)數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)器(qi)成(cheng)為(wei)係(xi)統(tong) 的星形接地點。我們應該如何做呢？

如圖1所示，混合信號IC內的接地一般會保持獨立，目的是避免數字信號耦合進入模擬電路。對於連接芯片上焊墊至封裝引腳相關的內部電感和電阻（相比電 感可忽略不計）
，IC設計人員沒有一點辦法。快速變化的數字電流在數字電路中產生電壓（di/dt），其不可避免地會通過雜散電容耦合進入模擬電路。

若不考慮這類耦合
，IC可以工作得很好。但是
，為了防止進一步的耦合
，我們應使用最短的導線
，從外部把AGND和DGND引腳接合到一起，連接同一低 阻抗接地層。DGND連接中任何一點外部阻抗都會引起更多的數字噪聲，而其反過來又會通過雜散電容讓更多的數字噪聲耦合進入模擬電路。

模擬還是數字接地層，又或者兩者兼有？

weishenmexuyaojiediceng
？ruguoyitiaozongxianxianluyongzuojiedierfeiceng，zebixujinxingjisuancainengquedingzongxianxianludeyajiang，yinweidaduoshuluojizhuanhuandengxiaopinlvdezukang。zhezhongyajiangzaochengxitongzui 終精確度誤差。要實現一個接地層，雙麵PCB的一麵由連續銅材料組成，用作接地。由於使用大麵積、扁平化導體方式，大量金屬材料實現最低程度電阻和電感。

接地層起到一個低阻抗返回通路的作用
，旨在去耦快速數字邏輯引起的高頻電流。另外
，它還最小化了電磁幹擾/射頻幹擾（EMI/RFI）產生的輻射。由 於接地層的屏蔽行為，電路對於外部EMI/RFI的敏感性降低了。接地層還允許高速數字或者模擬信號通過傳輸線路（微波傳輸帶或者帶狀線）方法進行傳輸， 其要求受控阻抗。

如前所述，AGND和DGND引腳必須在器件上接合到一起。如果必須隔離模擬和數字接地，那麼我們應該將它們連接到模擬接地層、數字接地層還是兩個都連呢
？
請記住，數據轉換器是模擬的！因此
，AGND和DGND引腳應連接至模擬接地層。如果它們被連接至數字接地層
，則模擬輸入信號將出現數字噪聲，因為它 可ke能neng為wei單dan端duan，並bing且qie參can考kao模mo擬ni接jie地di層ceng。連lian接jie這zhe兩liang個ge引yin腳jiao至zhi靜jing態tai模mo擬ni接jie地di層ceng，會hui把ba少shao量liang數shu字zi噪zao聲sheng注zhu入ru其qi中zhong，並bing降jiang低di輸shu出chu邏luo輯ji的de噪zao聲sheng餘yu量liang。這zhe是shi因yin為wei
，輸shu出chu邏luo輯ji現xian在zai參can考kao模mo 擬接地層，並且所有其它邏輯均參考數字接地層。但是，這些電流應為非常小，並且通過確保轉換器輸出不驅動大扇出得到最小化。

可能的情況是，設計使用器件的數字電流可低可高。兩種情況的接地方案並不相同。一般而言，數據轉換器常常被看作為低電流器件（例如：閃存ADC）。但 是，今天的一些擁有片上模擬功能的數據轉換器，正變得越來越數字化。隨著數字電路的增加，數字電流和噪聲也隨之增加。例如
，∑-△ADC包含一個複雜的數 字濾波器，其相當大地增加了器件的數字電流。

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低數字電流數據轉換器接地

正如我們講的那樣，數據轉換器（或者任何混合信號器件）均(jun)為(wei)模(mo)擬(ni)。在(zai)所(suo)有(you)係(xi)統(tong)中(zhong)
，模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)層(ceng)都(dou)位(wei)於(yu)所(suo)有(you)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)和(he)混(hun)合(he)信(xin)號(hao)器(qi)件(jian)放(fang)置(zhi)的(de)地(di)方(fang)。同(tong)樣(yang)

，數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)層(ceng)擁(yong)有(you)所(suo)有(you)數(shu)字(zi)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)電(dian)路(lu)。模(mo)擬(ni)與(yu)數(shu)字(zi)接(jie)地(di)層(ceng)應(ying)有(you)同(tong)各(ge)自(zi)信(xin)號(hao)層(ceng)相(xiang)同(tong)的(de)尺(chi)寸(cun)和(he)形(xing)狀(zhuang)。
圖2概述了低數字電流混合信號器件接地的方法。該模擬接地層沒有被損壞
，因為小數字瞬態電流存在於本地去耦電容器VDig和DGND（綠線）之間的小 型環路中。圖2還顯示了一個位於模擬和數字電源之間的濾波器。共有兩類鐵氧體磁珠：高Q諧振磁珠和低Q非諧振磁珠。低Q磁珠常用於電源濾波，其與電源連接 點串聯。


高數字電流數據轉換器接地

圖2所示電路靠VDig和DGND之間的去耦電容器來使數字瞬態電流隔離在小環路中。但是
，如果數字電流足夠大，並且有組件在DC或者低頻下，則該去 耦電容器可能必須非常的大，而這是不實際的。VDig和DGND之間環路之外的任何數字電流，必須流經模擬接地層。這可能會降低性能，特別是在高分辨率係 統中更是如此。圖3顯示了一種適用於強數字電流混合信號器件的替代接地方法。數據轉換器的AGND引腳連接至模擬接地層，而DGND引腳則連接至數字接地 層。數字電流也隔離於模擬接地層
，但兩個接地層之間的噪聲卻直接作用於器件的AGND和DGND引腳之間。模擬和數字電路必須獲得有效的隔離。AGND和 DGND引腳之間的噪聲必須不能過大

，否則會降低內部噪聲餘量，或者引起內部模擬電路損壞。

模擬和數字接地層的連接

圖2和3顯示了連接模擬和數字接地層的備選背靠背肖特基二極管。該肖特基二極管防止大DC電壓或者低頻電壓尖峰在兩個層之間形成。如果其超出0.3V
，這些電壓可能會損壞混合信號IC
，因為它們直接出現在AGND和DGND引腳之間。

作為一種背靠背肖特基二極管的替代方法，鐵氧體磁珠可以在兩個層之間提供一個DC連接，並在數兆赫茲頻率時對其進行隔離，此時鐵氧體磁珠電阻增加。這 種方法可防止IC受到AGND和DGND之間DC電壓的損壞


，但是這種鐵氧體磁珠提供的DC連接會引入討厭的DC接地環路，其可能不適合於高分辨率係統。 隻要在高數字電流IC特殊情況下AGND和DGND引腳被隔離
，則在必要時應將它們連接在一起。

跳線和/或帶選項允許我們嚐試兩種方法，以驗證哪種方法能夠獲得最佳總係統性能。

隔離還是分割：哪一種對接地層重要
？

一個常見問題是如何隔離接地，以讓模擬電路不幹擾數字電路。眾所周知
，數字電路噪聲較大。開關期間，邏輯飽和從其電流吸引強、快速電流尖峰。相反，模 nidianlufeichangrongyishoudaozaoshengdeyingxiang。monidianlukenengbuhuiganraoshuziluoji。xiangfan
，kenengdeqingkuangshi，gaosushuziluojikenenghuiganraodijimonidianlu。yinci，zhegewentiyinggaishiruhefangzhi 數字邏輯接地電流汙染混合信號PCB上的低級模擬電路。我們首先想到的可能是分割接地層以將DGND隔離於AGND。盡管分割層方法可以起作用，但它存在 許多問題—特別是在一些大型

、複雜係統中。


共有兩條基本的電磁兼容（EMC）原則：

1、電流應返回其本地源
，並且要盡可能地緊湊。否則，應構建環路天線。

2、一個係統應隻有一個基準層
，因為兩個基準會形成一個偶極天線。

在EMC測(ce)試(shi)期(qi)間(jian)，當(dang)在(zai)接(jie)地(di)或(huo)者(zhe)電(dian)源(yuan)層(ceng)中(zhong)某(mou)個(ge)插(cha)槽(cao)或(huo)者(zhe)縫(feng)隙(xi)之(zhi)間(jian)布(bu)置(zhi)線(xian)路(lu)時(shi)可(ke)觀(guan)察(cha)到(dao)大(da)多(duo)數(shu)問(wen)題(ti)。由(you)於(yu)這(zhe)種(zhong)布(bu)線(xian)會(hui)引(yin)起(qi)輻(fu)射(she)和(he)串(chuan)擾(rao)問(wen)題(ti)
，因(yin)此(ci)我(wo)們(men)不(bu)建(jian)議(yi)使(shi)用(yong)。
重zhong要yao的de是shi，清qing楚chu地di知zhi道dao某mou個ge分fen割ge層ceng中zhong的de接jie地di電dian流liu如ru何he流liu動dong以yi及ji流liu向xiang何he處chu。大da多duo數shu設she計ji人ren員yuan隻zhi想xiang到dao了le信xin號hao電dian流liu流liu向xiang何he處chu
，而er忽hu略lve了le返fan回hui電dian流liu的de路lu徑jing。高gao頻pin信xin號hao有you一yi 個特點：沿阻抗（電感）最(zui)低(di)的(de)路(lu)徑(jing)流(liu)動(dong)。路(lu)徑(jing)電(dian)感(gan)由(you)路(lu)徑(jing)圈(quan)起(qi)的(de)環(huan)路(lu)麵(mian)積(ji)大(da)小(xiao)決(jue)定(ding)。電(dian)流(liu)返(fan)回(hui)源(yuan)必(bi)須(xu)經(jing)過(guo)的(de)麵(mian)積(ji)越(yue)大(da)
，電(dian)感(gan)也(ye)就(jiu)越(yue)大(da)。最(zui)小(xiao)電(dian)感(gan)路(lu)徑(jing)直(zhi)接(jie)靠(kao)近(jin)線(xian) 路。因此，不管是哪一層—電源或者接地—返回電流都在與線路相鄰的層上流動。電流在該層內會微有擴散
，並且保持在線路下麵。本質上而言，其精確分布情況與 高斯曲線類似。圖4表明，返回電流直接位於信號線路下麵。這會形成一條最小阻抗的路徑。


返回路徑的電流分布曲線為：


IO為總信號電流（A），h為線路厚度（cm）
，而D為距離線路的長度（cm）。由該方程式我們可知道，數字接地電流不願流經接地層的模擬部分，因此不會損壞模擬信號。

就基準層而言，過孔間隙部分不幹擾返回電流路徑，這一點很重要。如果存在障礙，返回電流便會另尋路徑繞過它
，如圖5所示。但是

，這種布線最有可能會引 qidianliudediancichang，ganraoqitaxinhaoxianludecichang
，congerchanshengchuanraowenti。lingwai，zhezhongzhangaihuiduitashangmiandexianluzukangchanshengbuliyingxiang，daozhibulianxuyijiEMI增加。

本係列文章第2部分將討論分割接地層存在的利和弊，並說明多轉換器和多板係統的接地方法。






本文作者：Sanjay Pithadia，德州儀器 (TI) 模擬應用工程師

                   Shridhar More，高級模擬應用工程師