您当前的位置:五五电子网电子知识通信技术综合通信技术适用于模拟/数字混合信号环境的接地技术探讨 正文
适用于模拟/数字混合信号环境的接地技术探讨

适用于模拟/数字混合信号环境的接地技术探讨

点击数:7991 次   录入时间:03-04 11:46:43   整理:http://www.55dianzi.com   综合通信技术

    由于“总线(bus wire)”在大多数逻辑转换等效频率下具有阻抗,将其用作“地”完全不能接受。例如,#22标准导线具有约20 nH/in的电感。由逻辑信号产生的压摆率为10 mA/ns的瞬态电流,流经1英寸该导线时将形成200 mV的无用压降:


    对于具有2 V峰峰值范围的信号,此压降会转化为大约200 mV或10%的误差(大约“3.5位精度”)。即使在全数字电路中,该误差也会大幅降低逻辑噪声裕量。

    图2显示数字返回电流调制模拟返回电流的情况(顶图)。接地返回导线电感和电阻由模拟和数字电路共享,这会造成相互影响,最终产生误差。一个可能的解决方案是让数字返回电流路径直接流向GND REF,如底图所示。这显示了“星型”或单点接地系统的基本概念。在包含多个高频返回路径的系统中很难实现真正的单点接地。因为各返回电流导线的物理长度将引入寄生电阻和电感,所以获得低阻抗高频接地就很困难。实际操作中,电流回路必须由大面积接地层组成,以便获取高频电流下的低阻抗。如果无低阻抗接地层,则几乎不可能避免上述共享阻抗,特别是在高频下。

    所有集成电路接地引脚应直接焊接到低阻抗接地层,从而将串联电感和电阻降至最低。对于高速器件,不推荐使用传统IC插槽。即使是“小尺寸”插槽,额外电感和电容也可能引入无用的共享路径,从而破坏器件性能。如果插槽必须配合DIP封装使用,例如在制作原型时,个别“引脚插槽”或“笼式插座”是可以接受的。以上引脚插槽提供封盖和无封盖两种版本。由于使用弹簧加载金触点,确保了IC引脚具有良好的电气和机械连接。不过,反复插拔可能降低其性能。

图2. 流入模拟返回路径的数字电流产生误差电压。

    应使用低电感、表面贴装陶瓷电容,将电源引脚直接去耦至接地层。如果必须使用通孔式陶瓷电容,则它们的引脚长度应该小于1 mm。陶瓷电容应尽量靠近IC电源引脚。噪声过滤还可能需要铁氧体磁珠。

    这样的话,可以说“地”越多越好吗?接地层能解决许多地阻抗问题,但并不能全部解决。即使是一片连续的铜箔,也会有残留电阻和电感;在特定情况下,这些就足以妨碍电路正常工作。图3说明了这个问题,并给出了解决方法。

图3. 割裂接地层可以改变电流流向,从而提高精度。

    由于实际机械设计的原因,电源输入连接器在电路板的一端,而需要靠近散热器的电源输出部分则在另一端。电路板具有100 mm宽的接地层,还有电流为15 A的功率放大器。如果接地层厚0.038 mm,15 A的电流流过时会产生68 μV/mm的压降。对于任何共用该PCB且以地为参考的精密模拟电路,这种压降都会引起严重问题。可以割裂接地层,让大电流不流入精密电路区域,而迫使它环绕割裂位置流动。这样可以防止接地问题(在这种情况下确实存在),不过该电流流过的接地层部分中电压梯度会提高。

    在多个接地层系统中,请务必避免覆盖接地层,特别是模拟层和数字层。该问题将导致从一个层(可能是数字地)到另一个层的容性耦合。要记住,电容是由两个导体(两个接地层)组成的,中间用绝缘体(PC板材料)隔离。

    具有低数字电流的混合信号IC的接地和去耦

www.55dianzi.com

    敏感的模拟元件,例如放大器和基准电压源,必须参考和去耦至模拟接地层。具有低数字电流的ADC和DAC(和其他混合信号IC)一般应视为模拟元件,同样接地并去耦至模拟接地层。乍看之下,这一要求似乎有些矛盾,因为转换器具有模拟和数字接口,且通常有指定为模拟接地(AGND)和数字接地(DGND)的引脚。图4有助于解释这一两难问题。

图4. 具有低内部数字电流的混合信号IC的正确接地。

    同时具有模拟和数字电路的IC(例如ADC或DAC)内部,接地通常保持独立,以免将数字信号耦合至模拟电路内。图4显示了一个简单的转换器模型。将芯片焊盘连接到封装引脚难免产生线焊电感和电阻,IC设计人员对此是无能为力的,心中清楚即可。快速变化的数字电流在B点产生电压,且必然会通过杂散电容CSTRAY耦合至模拟电路的A点。此外,IC封装的每对相邻引脚间约有0.2 pF的杂散电容,同样无法避免!IC设计人员的任务是排除此影响让芯片正常工作。不过,为了防止进一步耦合,AGND和DGND应通过最短的引线在外部连在一起,并接到模拟接地层。DGND连接内的任何额外阻抗将在B点产生更多数字噪声;继而使更多数字噪声通过杂散电容耦合至模拟电路。请注意,将DGND连接到数字接地层会在AGND和DGND引脚两端施加 VNOISE ,带来严重问题!

    “DGND”名称表示此引脚连接到IC的数字地,但并不意味着此引脚必须连接到系统的数字地。可以更准确地将其称为IC的内部“数字回路”。

    这种安排确实可能给模拟接地层带来少量数字噪声,但这些电流非常小,只要确保转换器输出不会驱动较大扇出(通常不会如此设计)就能降至最低。将转换器数字端口上的扇出降至最低(也意味着电流更低),还能让转换器逻辑转换波形少受振铃影响,尽可能减少数字开关电流,从而减少至转换器模拟端口的耦合。通过插入小型有损铁氧体磁珠,如图4所示,逻辑电源引脚PIN (VD) 可进一步与模拟电源隔离。转换器的内部瞬态数字电流将在小环路内流动,从VD 经去耦电容到达DGND(此路径用图中红线表示)。因此瞬态数字电流不会出现在外部模拟接地层上,而是局限于环路内。VD引脚去耦电容应尽可能靠近转换器安装,以便将寄生电感降至最低。去耦电容应为低电感陶瓷型,通常介于0.01 μF (10 nF)和0.1 μF (100 nF)之间。

    再强调一次,没有任何一种接地方案适用于所有应用。但是,通过了解各个选项和提前进行规则,可以最大程度地减少问题。

    小心处理ADC数字输出

    将数据缓冲器放置在转换器旁不失为好办法,可将数字输出与数据总线噪声隔离开(如图4所示)。数据缓冲器也有助于将转换器数字输出上的负载降至最低,同时提供数字输出与数据总线间的法拉第屏蔽(如图5所示)。虽然很多转换器具有三态输出/输入,但这些寄存器仍然在芯片上;它们使数据引脚信号能够耦合到敏感区域,因而隔离缓冲区依然是一种良好的设计方式。某些情况下,甚至需要在模拟接地层上紧靠转换器输出提供额外的数据缓冲器,以提供更好的隔离。

图5. 在输出端使用缓冲器/锁存器的高速ADC 具有对数字数据总线噪声的增强抗扰度。

    ADC输出与缓冲寄存器输入间的串联电阻(图4中标示为“R”)有助于将数字瞬态电流降至最低,这些电流可能影响转换器性能。电阻可将数字输出驱动器与缓冲寄存器输入的电容隔离开。此外,由串联电阻和缓冲寄存器输入电容构成的RC网络用作低通滤波器,以减缓快速边沿。

    典型CMOS栅极与PCB走线和通孔结合在一起,将产生约10 pF的负载。如果无隔离电阻,1 V/ns的逻辑输出压摆率将产生10 mA的动态电流:


    驱动10 pF的寄存器输入电容时,500 Ω串联电阻可将瞬态输出电流降至最低,并产生约11 ns的上升和下降时间:


上一页  [1] [2] [3] [4]  下一页


本文关键字:技术  综合通信技术通信技术 - 综合通信技术

《适用于模拟/数字混合信号环境的接地技术探讨》相关文章>>>