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(多图) 混合信号系统接地揭秘(第1部分)

/?? 2013年08月19日 ?? 收藏3

模拟和数字接地层的连接

图2和3显示了连接模拟和数字接地层的备选背靠背肖特基二极管。该肖特基二极管防止大DC电压或者低频电压尖峰在两个层之间形成。如果其超出0.3V,这些电压可能会损坏混合信号IC,因为它们直接出现在AGND和DGND引脚之间。

作为一种背靠背肖特基二极管的替代方法,铁氧体磁珠可以在两个层之间提供一个DC连接,并在数兆赫兹频率时对其进行隔离,此时铁氧体磁珠电阻增加。这种方法可防止IC受到AGND和DGND之间DC电压的损坏,但是这种铁氧体磁珠提供的DC连接会引入讨厌的DC接地环路,其可能不适合于高分辨率系统。只要在高数字电流IC特殊情况下AGND和DGND引脚被隔离,则在必要时应将它们连接在一起。

跳线和/或带选项允许我们尝试两种方法,以验证哪种方法能够获得最佳总系统性能。

隔离还是分割:哪一种对接地层重要?

一个常见问题是如何隔离接地,以让模拟电路不干扰数字电路。众所周知,数字电路噪声较大。开关期间,逻辑饱和从其电流吸引强、快速电流尖峰。相反,模拟电路非常容易受到噪声的影响。模拟电路可能不会干扰数字逻辑。相反,可能的情况是,高速数字逻辑可能会干扰低级模拟电路。因此,这个问题应该是如何防止数字逻辑接地电流污染混合信号PCB上的低级模拟电路。我们首先想到的可能是分割接地层以将DGND隔离于AGND。尽管分割层方法可以起作用,但它存在许多问题—特别是在一些大型、复杂系统中。

共有两条基本的电磁兼容(EMC)原则:

1、 电流应返回其本地源,并且要尽可能地紧凑。否则,应构建环路天线。

2、 一个系统应只有一个基准层,因为两个基准会形成一个偶极天线。

在EMC测试期间,当在接地或者电源层中某个插槽或者缝隙之间布置线路时可观察到大多数问题。由于这种布线会引起辐射和串扰问题,因此我们不建议使用。

重要的是,清楚地知道某个分割层中的接地电流如何流动以及流向何处。大多数设计人员只想到了信号电流流向何处,而忽略了返回电流的路径。高频信号有一个特点:沿阻抗(电感)最低的路径流动。路径电感由路径圈起的环路面积大小决定。电流返回源必须经过的面积越大,电感也就越大。最小电感路径直接靠近线路。因此,不管是哪一层—电源或者接地—返回电流都在与线路相邻的层上流动。电流在该层内会微有扩散,并且保持在线路下面。本质上而言,其精确分布情况与高斯曲线类似。图4表明,返回电流直接位于信号线路下面。这会形成一条最小阻抗的路径。

返回路径的电流分布曲线为:

IO为总信号电流(A),h为线路厚度(cm),而D为距离线路的长度(cm)。由该方程式我们可知道,数字接地电流不愿流经接地层的模拟部分,因此不会损坏模拟信号。

就基准层而言,过孔间隙部分不干扰返回电流路径,这一点很重要。如果存在障碍,返回电流便会另寻路径绕过它,如图5所示。但是,这种布线最有可能会引起电流的电磁场,干扰其它信号线路的磁场,从而产生串扰问题。另外,这种障碍会对它上面的线路阻抗产生不利影响,导致不连续以及EMI增加。

本系列文章第2部分将讨论分割接地层存在的利和弊,并说明多转换器和多板系统的接地方法。

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第1页:引言

第2页:数字地和模拟地

第3页:转换器接地

第4页:模拟地和数字地的连接

延伸阅读

混合信号系统接地揭秘(第2部分)


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