混合信號接地的困惑根源
大多數 ADC、DAC 和其他混合信號器件數據手冊是針對單個 PCB 討論接地，通常是制造商自己的評估板。將這些原理應用于多卡或多 ADC/DAC 系統時，就會讓人感覺困惑茫然。通常建議將 PCB 接地層分為模擬層和數字層，并將轉換器的 AGND 和 DGND 引腳連接在一起，并且在同一點連接模擬接地層和數字接地層，如圖 1 所示。
圖 1. 混合信號 IC 接地：單個 PCB（典型評估 / 測試板）
這樣就基本在混合信號器件上產生了系統“星型”接地。所有高噪聲數字電流通過數字電源流入數字接地層，再返回數字電源；與電路板敏感的模擬部分隔離開。系統星型接地結構出現在混合信號器件中模擬和數字接地層連接在一起的位置。
該方法一般用于具有單個 PCB 和單個 ADC/DAC 的簡單系統，不適合多卡混合信號系統。在不同 PCB（甚至在相同 PCB 上）上具有數個 ADC 或 DAC 的系統中，模擬和數字接地層在多個點連接，使得建立接地環路成為可能，而單點“星型”接地系統則不可能。鑒于以上原因，此接地方法不適用于多卡系統，上述方法應當用于具有低數字電流的混合信號 IC。
具有低數字電流的混合信號 IC 的接地和去耦
敏感的模擬元件，例如放大器和基準電壓源，必須參考和去耦至模擬接地層。具有低數字電流的 ADC 和 DAC（和其他混合信號 IC）一般應視為模擬元件，同樣接地并去耦至模擬接地層。乍看之下，這一要求似乎有些矛盾，因為轉換器具有模擬和數字接口，且通常有指定為模擬接地(AGND)和數字接地(DGND)的引腳。圖 2 有助于解釋這一兩難問題。
圖 2. 具有低內部數字電流的混合信號 IC 的正確接地
同時具有模擬和數字電路的 IC（例如 ADC 或 DAC）內部，接地通常保持獨立，以免將數字信號耦合至模擬電路內。圖 2 顯示了一個簡單的轉換器模型。將芯片焊盤連接到封裝引腳難免產生線焊電感和電阻，IC 設計人員對此是無能為力的，心中清楚即可。快速變化的數字電流在 B 點產生電壓，且必然會通過雜散電容 CSTRAY 耦合至模擬電路的 A 點。此外，IC 封裝的每對相鄰引腳間約有 0.2 pF 的雜散電容，同樣無法避免！IC 設計人員的任務是排除此影響讓芯片正常工作。
不過，為了防止進一步耦合，AGND 和 DGND 應通過最短的引線在外部連在一起，并接到模擬接地層。DGND 連接內的任何額外阻抗將在 B 點產生更多數字噪聲；繼而使更多數字噪聲通過雜散電容耦合至模擬電路。請注意，將 DGND 連接到數字接地層會在 AGND 和 DGND 引腳兩端施加 VNOISE，帶來嚴重問題！
“DGND”名稱表示此引腳連接到 IC 的數字地，但并不意味著此引腳必須連接到系統的數字地。可以更準確地將其稱為 IC 的內部“數字回路”。
這種安排確實可能給模擬接地層帶來少量數字噪聲，但這些電流非常小，只要確保轉換器輸出不會驅動較大扇出（通常不會如此設計）就能降至最低。將轉換器數字端口上的扇出降至最低（也意味著電流更低），還能讓轉換器邏輯轉換波形少受振鈴影響，盡可能減少數字開關電流，從而減少至轉換器模擬端口的耦合。通過插入小型有損鐵氧體磁珠，如圖 2 所示，邏輯電源引腳 pin (VD)可進一步與模擬電源隔離。轉換器的內部瞬態數字電流將在小環路內流動，從 VD 經去耦電容到達 DGND （此路徑用圖中紅線表示）。因此瞬態數字電流不會出現在外部模擬接地層上，而是局限于環路內。VD 引腳去耦電容應盡可能靠近轉換器安裝，以便將寄生電感降至最低。去耦電容應為低電感陶瓷型，通常介于 0.01 μF (10 nF)和 0.1 μF (100 nF) 之間。
再強調一次，沒有任何一種接地方案適用于所有應用。但是，通過了解各個選項和提前進行規則，可以最大程度地減少問題。 |
