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作者：德州儀器 (TI) 模擬應用工程師Sanjay Pithadia和高級模擬應用工程師Shridhar More 本文是系列文章（共2部分）的第2部分。第1部分（見參考1）為你解釋了一些典型專業術語和接地層，并介紹了分區方法。第2部分將討論分割接地層的利弊。另外，文章還將解釋多轉換器和多板系統接地。 如果分割接地層并且線路穿過分割線（如圖1所示），那么電流返回通路在哪里呢？假設兩個層在某處連接（通過在一個單獨點），則返回電流必在該大型環路內流動。大型環路內的高頻電流產生輻射和高接地電感。大型環路內的低電平模擬電流易受干擾的影響。 
圖1 穿過接地層分割的信號線跡 如果兩個層僅在電源處連接（圖2），則返回電流被迫直接流回電源接地，這是一個真正的大型環路！另外，不幸的是，不同RF電勢下使用長線纜連接的模擬和數字接地層，形成一個非常有效的偶極天線。
圖2在電源位置連接的分割層 首選使用一個持續接地層以避免這種長接地環路，但是如果使用分割接地層絕對必要并且線路穿過分割線，則各層應首先在一個位置連接，以形成一個返回電流的橋（圖3）。對所有線路進行布局，讓它們穿過該橋，直接在每條線路下面提供一條返回通路，從而產生一個非常小的環路面積。這種方法的典型應用是權衡何時使用高分辨率（≥20-bit）Σ-Δ模數轉換器（ADC）。
圖3 線路接地層橋接 通過分割層傳輸信號的其它方法是使用光隔離器（通過光）、變壓器（通過磁場）或者一個真正的差動信號（信號沿一條線路傳輸，然后在另一條線路上返回，無需返回電流接地）。 一種更好的方法是“分區”。僅使用一個接地層始終為首選，把PCB劃分為模擬部分和數字部分（參見圖4b）。模擬信號必須安排在板的模擬部分，而數字信號必須安排在板的數字部分，并且所有層上都有這兩個部分。在這種情況下，數字返回電流不會存在于接地層的模擬部分，并且保持在數字信號線跡下面。圖4比較了一個分割層和一個分區層。
圖4 接地層布局 分區方法存在的唯一問題是，當模擬信號錯誤地安排在板的數字部分（反之亦然）時則難以有效，如圖5所示。因此，對于所有PCB布局而言，重點是使用一個單個接地層，把它劃分為模擬和數字部分，然后運用信號安排原則。
圖5 錯誤安排的數字信號線跡 在一塊單獨板上使用多個數據轉換器時的接地 大多數數據轉換器的產品說明書都說明了相對于單一PCB的接地方法，并且通常為制造廠商自己的評估板。一般而言，我們建議把PCB接地層分割為一個模擬層和一個數字層。我們還建議，把轉換器的模擬接地（AGND）和數字接地（DGND）引腳放在一起，并且在同一個點連接模擬和數字接地層，如圖6所示。最終，在混合信號器件處形成系統的星形接地點。正如第1部分文章介紹的那樣，測量出與該特定點相關的電路所有電壓，而不僅僅只是一些讓測量探針跳動的未定義接地。
圖6單塊PCB上的接地混合信號器件 所有有噪數字電流均通過數字電源流至數字接地層，然后再返回至數字電源，以此來隔離于電路板的敏感模擬部分。模擬和數字接地層在數據轉換器處交匯在一起時，形成系統的星形接地點。這種方法在使用單獨PCB和單個數據轉換器的簡易系統中一般有效，但是它并不是很適合于多卡和多轉換器系統。如果不同PCB上有幾個數據轉換器，這種方法便無效，因為模擬和數字接地系統在PCB上每個轉換器處都交匯在一起，形成許多接地環路。 假設一個設計人員正在使用一塊擁有3個DAC和2個ADC的8層PCB。為了最小化噪聲，模擬和數字接地層應固定連接在所有ADC和數模轉換器（DAC）芯片下面。AGND和DGND引腳應相互連接，并且連接模擬接地層，同時模擬和數字接地層應單獨連接回電源。電源應進入數字分區電路板，并直接給數字電路供電，然后經過濾波或者調節以后給模擬電路供電。這樣，應僅把數字接地層連接回電源。圖7顯示了經過分區的模擬和數字接地層，以及多數據轉換器PCB的電源連接。
圖7 多ADC的PCB電源與接地 多卡混合信號系統 設計人員開始把單卡接地概念應用于多卡系統，這增加了人們對于混合信號接地的困惑。在一些不同PCB上具有數個數據轉換器的系統內，模擬和數字接地層在幾個點連接，帶來形成接地環路的可能性，并且使單點星形接地系統無法實現。 最小化多卡系統內接地阻抗的最佳方法是，把一個母板PCB用作兩個卡之間互連的底層。這樣便可為底板提供一個連續的接地層。PCB連接器至少有30%到40%的引腳用于接地。這些引腳應連接底層母板的接地層。完成整個系統接地方案，共有兩種可能性： 1、 底層的接地層在無數個點連接底板接地，讓各種接地電流返回通路四散。它一般指的是多點接地系統（圖8）。 2、 接地層連接至單個星形接地點（通常在電源處）。 3、 第一種方法常常用于全數字系統，但也可用于混合信號系統，前提條件是數字電路的接地電流足夠低，并且散布于一個較大的面積上。 PCB、底層和最終的底板都維持低接地阻抗。但是，接地連接金屬片底板的電氣觸點應具有良好的狀態，這一點很關鍵。它要求自動攻絲金屬片螺釘或者咬式墊圈。陽極氧化鋁用于底板材料時需特別小心，因為其表面會起到一個隔離器的作用。
圖8 多卡系統的接地方案 第二種方法即單點星形接地，通常用于具有單獨模擬和數字接地系統的高速混合信號系統。 參考文獻 1、《混合信號系統接地揭秘之第1部分》，作者：Sanjay Pithadia和Shridhar More，刊發于《模擬應用雜志》（2013年第1季度），網址：www.ti.com/slyt49 9-aaj 2、《混合信號PCB的分區與布局》，作者H.W. Ott，刊發于2001年6月《印制電路板設計》第8-11頁。 3、《模數轉換器接地方法對系統性能的影響》，刊發于《應用簡報》，網址：www.ti.com/sbaa052-aaj 4、《鐵氧體磁珠》，刊發于2000年10月12日《EDN》博客，作者：Howard Johnson。 相關網站 數據轉換器：www.ti.com/dc-aaj 精密數據轉換器接地舉例，請訪問：www.ti.com/e2egrounding-aaj 訂閱《模擬應用雜志》，請訪問：www.ti.com/subscribe-aaj |
