中心議題：
- 混合信號PCB設(shè)計(jì)中單點(diǎn)接地的原理
- 混合信號PCB設(shè)計(jì)中單點(diǎn)接地應(yīng)用實(shí)例
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，高性能的模擬輸/輸出系統(tǒng)越來越受到重視。無論在模擬輸入系統(tǒng)還是在模擬輸出系統(tǒng)中，都存在著數(shù)字信號與模擬信號共存的問題。尤其是對于一塊混合信號的PCB（印刷電路板），模擬電路和數(shù)字電路交錯混雜。同數(shù)字信號相比，模擬信號由于其噪聲免疫能力差，容易受到數(shù)字部分的高頻信號的影響，更容易遭受干擾。因此，在模擬信號和數(shù)字信號并存的混合信號系統(tǒng)中，如何對二者劃分、處理，都要進(jìn)行充分的考慮，才能提高模擬信號采集的精度。而其中對系統(tǒng)“地”的設(shè)計(jì)是一個很關(guān)鍵的問題。本文主要闡述了一種在PCB設(shè)計(jì)中比較特別的地平面鋪設(shè)方式—單點(diǎn)接地。
1 單點(diǎn)接地原理
現(xiàn)在越來越多的多層PCB 被用到各種工程應(yīng)用中，4層、8層、12層的PCB 已經(jīng)很常見了，甚至根據(jù)特殊應(yīng)用需求，更多層的PCB 也被應(yīng)用在工程中。 相對來說，4層板應(yīng)用的最為廣泛。 使用多層印制板是為了得到更好的電磁兼容性。 使得印制板在正常工作時(shí)能滿足所要求的電磁兼容和敏感度標(biāo)準(zhǔn)。 正確的堆疊有助于屏蔽和抑制EMI（電磁干擾）。 在4層的PCB 設(shè)計(jì)中， 硬件設(shè)計(jì)人員在分層時(shí)一般會使用如下的層劃分方式：SIGNAL_TOP、GND、POWER、SIGNAL_BOTTOM。
SIGNAL_TOP為頂層的信號層，GND為地層，POWER為電源層，SIGNAL_BOTTOM為底層的信號層。
這是最常用的層劃分方法，其中，對地層的處理通常的做法是給整個GND 層全部覆銅，一方面起到屏蔽作用，另一方面可以給高頻數(shù)字信號一個完整的回流路徑。
模擬信號和數(shù)字信號都需要回流到地，但是，隨著數(shù)字電路工作速度的提高，信號邊緣越來越陡峭，目前大多數(shù)工程設(shè)計(jì)中的數(shù)字系統(tǒng)的信號邊緣都已達(dá)到了ps級別，從頻域來看，這種信號有著非常豐富的高頻分量， 其頻譜范圍甚至可以達(dá)到幾十GHz。 正是由于數(shù)字信號變化速度快， 數(shù)字地上的浮動就比較大，從而造成數(shù)字地上引起的噪聲就會很大。 而對于混合信號來說， 無論是數(shù)模轉(zhuǎn)換還是模數(shù)轉(zhuǎn)換’ 運(yùn)算放大器還是ADC/DAC，模擬信號都是需要一個純凈的地作為參考平面來工作的。
如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會影響到模擬信號。所以，在混合信號的PCB 設(shè)計(jì)中，要對數(shù)字地和模擬地進(jìn)行劃分。 以數(shù)據(jù)采集板卡為例，在精度和速度要求不是很高的情況下，可以只是簡單的將地分割為數(shù)字地和模擬地，中間用瓷珠或者二極管連接，也可以直接一點(diǎn)短接，以減小數(shù)字地的波動對模擬地的影響。 但是在精度和速度都要求比較高的情況下，這種簡單的分割所起的作用就微乎其微了。 這時(shí)就要進(jìn)行更精細(xì)的分割了。 首先將整個地先分成純數(shù)字地和模擬地，由于AD 芯片本身同時(shí)存在數(shù)字和模擬兩部分電路， 所以要再把模擬地細(xì)分成模擬部分的數(shù)字地和模擬部分的模擬地。圖1 就是一塊14 位數(shù)據(jù)采集卡的地層分割示意圖。 純數(shù)字地和模擬地之間用DC-DC 配合光藕實(shí)現(xiàn)完全的隔離， 而模擬部分的數(shù)字地和模擬部分的模擬地在AD 芯片的下方一點(diǎn)連通(單AD 芯片)。
圖1 數(shù)據(jù)采集卡地平面分割方法
在不考慮空間輻射的前提下， 我們來分析一下這種地平面分割方法。 數(shù)字部分本身對噪聲的免疫能力比較強(qiáng)，而模擬部分則不同，由于模擬部分的放大器、ADC/DAC 的參考電壓輸入端都需要一個純凈的地平面做參考點(diǎn)， 而這部分的地恰恰又是最容易被“污染”的。 所以純數(shù)字地和模擬部分的數(shù)字地在這里暫不考慮。 我們只考慮模擬部分的地平面鋪設(shè)問題。
首先來看一下如圖2 所示的一個典型數(shù)據(jù)采集卡的部分原理圖，其中X、Y、Z分別為完成特定功能的電路(或者是芯片)。
圖2 數(shù)據(jù)采集卡部分原理圖[page]
幾部分電路和供電電源的低端都標(biāo)有等電勢符號， 表明所有的接地符號都處于同一個電位。 在實(shí)際的PCB 設(shè)計(jì)中，我們在對電路進(jìn)行布圖布線時(shí)， 一般都會采用如圖3所示的連接方法(用導(dǎo)線和通過地平面連接原理是一樣的)。
圖3 用導(dǎo)線連接的地線示意圖
由于有完整的地平面，所以，在進(jìn)行PCB 設(shè)計(jì)時(shí)通常是將SIGNAL_TOP或者SIGNAL_BOTTOM層中各器件的地都直接就近打在地層上，采用這種接地方法的目的就是要保證各接地點(diǎn)的對地阻抗盡量小。這樣各部分電路的等電勢端之間用導(dǎo)線（地層同樣可以看作是導(dǎo)線的，只是電阻要小些）連接。
但是，當(dāng)考慮導(dǎo)線（地平面）及過孔上的電阻時(shí)情況就不一樣了。如圖4所示。
圖4 一般布線方法
考慮到各段之間的電阻，則在各部分電路作為參考點(diǎn)的接地端就有了變化，假設(shè)各段的電阻為3.2mΩ這個數(shù)值是根據(jù)18#導(dǎo)線的電阻值計(jì)得來，那么電路Z接地端就大約有個1mV的電壓偏置，電路Y接地端的電壓偏置達(dá)到了700μV。小功率（或許是小信號）電路X的地端的偏置大約是352μV。如果X是一個運(yùn)算放大器，它的正輸入端接到本身的接地點(diǎn)，則相加點(diǎn)對以供電電源的地平面做參考點(diǎn)信號源就會產(chǎn)生一個325mV 的偏置，同時(shí)由于放大電路的存在，整個誤差會被再次放大。同樣，如果Z是一ADC，則相當(dāng)于在其外部參考電壓輸入管腳的地平面上加上了一個1mV的偏置。以14位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，假設(shè),其輸入范圍為+5V>-5V（即量程為10V），通過計(jì)算（計(jì)算公式為：量程/214）可知其LSB為0.61mV，即使是在沒有任何其他損失的情況下，ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）已經(jīng)損失了一位半，接近兩位。相當(dāng)于只使用了一個12分辨率的ADC，整個系統(tǒng)的精度不可能再達(dá)到14位。所以說，在一個分辨率為14位或者更高位的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，這種,情況是絕對不允許的。改善這種狀況的方法如圖5所示。
圖5單點(diǎn)接地電路
從每部分電路到供電電源的地平面參考點(diǎn)分開導(dǎo)線走線。通過這種方法，電路X相對于地只有0.32μV的偏置，偏置減少了90%，現(xiàn)在就可以忽略不計(jì)了，電路Y的偏置也減少了90%多，只有64μV。與圖4相比，這種方法極大的減小了各個電路間由于電流的疊加作用產(chǎn)生的相互干擾。但Z的偏置仍然是1mV左右。為了進(jìn)一步改善電路Z的偏置仍然比較大的問題，改善的方法有如下幾種，例如，可以使用更粗的導(dǎo)線作為信號的返回線，或者X和Z的位置互換，使大功率電路Z更靠近電源的地。還有一種方法就是由于電路間的相互干擾已經(jīng)消失，對于對地偏置確定的電路，我們可以采用補(bǔ)償?shù)姆椒▽ζ溥M(jìn)行校正。
電路5實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到了電路2的目的，即所有電路的低端都回到單一的公共“地”點(diǎn)，避免在導(dǎo)線上共同形成電壓降。 每一條線都分開返回，地線電流不會混在一起。實(shí)際上，單一接地點(diǎn)可以是一塊真正的金屬塊，在公共點(diǎn)提供最低可能的電阻。 如果供電電源的壓降必須減小到最小，則電源“高”端導(dǎo)線也可按相似的方法接線。
公共線也可以是一條很粗的母線，只要線上的干擾滿足低電平的要求。這樣的母線對于數(shù)字電路也是合適的公共地線，最后數(shù)字公共“地”接到模擬的“地”以建立整個系統(tǒng)的公共“地”。
包含有多個電源和多個機(jī)箱的系統(tǒng)則需要考慮的更多一些。通常，不管電源是誰供給2所有的線匯到公共點(diǎn)2然后和系統(tǒng)得公共端接在一起，以便工作。如圖5，使所有+5V的負(fù)載都回到+5V的公共端（低端）， 所有+15V的負(fù)載都回到+15V的公共端（低端），最后用一條導(dǎo)線將公共端連在一起。在多電源系統(tǒng)中2可能需要進(jìn)行判斷性試驗(yàn)確定地線接法以達(dá)到最佳的解決方案。
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2 單點(diǎn)接地應(yīng)用實(shí)例
以一塊精度為萬分之一的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡為例說明單點(diǎn)接地在實(shí)際工程中的應(yīng)用方法。
在這塊數(shù)模轉(zhuǎn)換卡中，DA芯片使用的是BB公司的DAC7734，它是一款16位高速DAC，輸出范圍為-10V~+10V，數(shù)據(jù)采用串行輸入，每片內(nèi)有4路模擬輸出，每路都有獨(dú)立的基,準(zhǔn)電壓輸入端。共使用兩片DAC7734，對外共有8路模擬輸出。
電壓基準(zhǔn)電路是使用National Semiconductor的LF442搭建的，可以進(jìn)行微調(diào)，以保證輸出的精度。
由于板卡上有兩個DA芯片，所以在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)將每個DAC的周邊電路的模擬地通過導(dǎo)線直接連接到DAC的模擬地上，然后在兩個DAC中間通過一點(diǎn)與模擬部分的數(shù)字地連接。
根據(jù)以上研究的混合信號地平面分割以減小干擾的方法，得到如下實(shí)際布線圖如圖6所示。（圖中只畫出了一個DAC及其周圍電路的地的連接情況）。
每個器件（包括其周圍電容）的接地端分別用很粗的導(dǎo)線連接到AD或者是DA 的模擬地上，所有的地都在AD或者DA的下面與數(shù)字地一點(diǎn)連接。
圖6 實(shí)際布線
最后的調(diào)試結(jié)果表明：在使用了單點(diǎn)接地的地平面處理方法后，精度得到了很好的控制，達(dá)到了萬分之一，滿足了設(shè)計(jì)要求，而且非常穩(wěn)定。
3 結(jié)束語
隨著工業(yè)現(xiàn)場對于A/D、D/A系統(tǒng)的需求越來越多，標(biāo)準(zhǔn)也越來越高，更高速度和精度的A/D、D/A系統(tǒng)的需求也在增大，而地平面的處理恰恰就是制約速度和精度不斷提升的瓶頸。本文研究的混合信號地平面處理方法已在多個工程中得到應(yīng)用，并取得了很好的效果。
