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混合信號接地的困惑根源

發(fā)布時間:2022-02-21 責任編輯:lina

【導讀】大多數(shù)ADC、DAC和其他混合信號器件數(shù)據(jù)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(tǒng)時,就會讓人感覺困惑茫然。


大多數(shù)ADC、DAC和其他混合信號器件數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)字層,并將轉(zhuǎn)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(shù)字接地層,如圖 1 所示。


混合信號接地的困惑根源

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(chǎn)生了系統(tǒng)“星型”接地。所有高噪聲數(shù)字電流通過數(shù)字電源流入數(shù)字接地層,再返回數(shù)字電源;與電路板敏感的模擬部分隔離開。系統(tǒng)星型接地結(jié)構出現(xiàn)在混合信號器件中模擬和數(shù)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(tǒng),不適合多卡混合信號系統(tǒng)。在不同PCB(甚至在相同 PCB 上)上具有數(shù)個ADC 或 DAC的系統(tǒng)中,模擬和數(shù)字接地層在多個點連接,使得建立接地環(huán)路成為可能,而單點“星型”接地系統(tǒng)則不可能。鑒于以上原因,此接地方法不適用于多卡系統(tǒng),上述方法應當用于具有低數(shù)字電流的混合信號IC。


具有低數(shù)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(shù)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(zhuǎn)換器具有模擬和數(shù)字接口,且通常有指定為模擬接地(AGND)和數(shù)字接地(DGND)的引腳。圖 2 有助于解釋這一兩難問題。


混合信號接地的困惑根源

圖 2. 具有低內(nèi)部數(shù)字電流的混合信號 IC 的正確接地


同時具有模擬和數(shù)字電路的 IC(例如 ADC 或 DAC)內(nèi)部,接地通常保持獨立,以免將數(shù)字信號耦合至模擬電路內(nèi)。圖 2 顯示了一個簡單的轉(zhuǎn)換器模型。將芯片焊盤連接到封裝引腳難免產(chǎn)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??焖僮兓臄?shù)字電流在 B 點產(chǎn)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(nèi)的任何額外阻抗將在 B點產(chǎn)生更多數(shù)字噪聲;繼而使更多數(shù)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(shù)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(shù)字地,但并不意味著此引腳必須連接到系統(tǒng)的數(shù)字地??梢愿鼫蚀_地將其稱為 IC 的內(nèi)部“數(shù)字回路”。


這種安排確實可能給模擬接地層帶來少量數(shù)字噪聲,但這些電流非常小,只要確保轉(zhuǎn)換器輸出不會驅(qū)動較大扇出(通常不會如此設計)就能降至最低。將轉(zhuǎn)換器數(shù)字端口上的扇出降至最低(也意味著電流更低),還能讓轉(zhuǎn)換器邏輯轉(zhuǎn)換波形少受振鈴影響,盡可能減少數(shù)字開關電流,從而減少至轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的內(nèi)部瞬態(tài)數(shù)字電流將在小環(huán)路內(nèi)流動,從 VD經(jīng)去耦電容到達 DGND (此路徑用圖中紅線表示)。因此瞬態(tài)數(shù)字電流不會出現(xiàn)在外部模擬接地層上,而是局限于環(huán)路內(nèi)。VD 引腳去耦電容應盡可能靠近轉(zhuǎn)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(diào)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(guī)則,可以最大程度地減少問題。


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