混合信号PCB设计中单点接地技术的研究

中心议题：

• 混合信号PCB设计中单点接地的原理
• 混合信号PCB设计中单点接地应用实例

随着计算机技术的不断提高，高性能的模拟输/输出系统越来越受到重视。无论在模拟输入系统还是在模拟输出系统中，都存在着数字信号与模拟信号共存的问题。尤其是对于一块混合信号的PCB（印刷电路板），模拟电路和数字电路交错混杂。同数字信号相比，模拟信号由于其噪声免疫能力差，容易受到数字部分的高频信号的影响，更容易遭受干扰。因此，在模拟信号和数字信号并存的混合信号系统中，如何对二者划分、处理，都要进行充分的考虑，才能提高模拟信号采集的精度。而其中对系统“地”的设计是一个很关键的问题。本文主要阐述了一种在PCB设计中比较特别的地平面铺设方式—单点接地。

1 单点接地原理

现在越来越多的多层PCB 被用到各种工程应用中，4层、8层、12层的PCB 已经很常见了，甚至根据特殊应用需求，更多层的PCB 也被应用在工程中。 相对来说，4层板应用的最为广泛。 使用多层印制板是为了得到更好的电磁兼容性。 使得印制板在正常工作时能满足所要求的电磁兼容和敏感度标准。 正确的堆叠有助于屏蔽和抑制EMI（电磁干扰）。 在4层的PCB 设计中， 硬件设计人员在分层时一般会使用如下的层划分方式：SIGNAL_TOP、GND、POWER、SIGNAL_BOTTOM。

SIGNAL_TOP为顶层的信号层，GND为地层，POWER为电源层，SIGNAL_BOTTOM为底层的信号层。

这是最常用的层划分方法，其中，对地层的处理通常的做法是给整个GND 层全部覆铜，一方面起到屏蔽作用，另一方面可以给高频数字信号一个完整的回流路径。

模拟信号和数字信号都需要回流到地，但是，随着数字电路工作速度的提高，信号边缘越来越陡峭，目前大多数工程设计中的数字系统的信号边缘都已达到了ps级别，从频域来看，这种信号有着非常丰富的高频分量， 其频谱范围甚至可以达到几十GHz。 正是由于数字信号变化速度快， 数字地上的浮动就比较大，从而造成数字地上引起的噪声就会很大。 而对于混合信号来说， 无论是数模转换还是模数转换’ 运算放大器还是ADC/DAC，模拟信号都是需要一个纯净的地作为参考平面来工作的。

如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。所以，在混合信号的PCB 设计中，要对数字地和模拟地进行划分。 以数据采集板卡为例，在精度和速度要求不是很高的情况下，可以只是简单的将地分割为数字地和模拟地，中间用瓷珠或者二极管连接，也可以直接一点短接，以减小数字地的波动对模拟地的影响。 但是在精度和速度都要求比较高的情况下，这种简单的分割所起的作用就微乎其微了。 这时就要进行更精细的分割了。 首先将整个地先分成纯数字地和模拟地，由于AD 芯片本身同时存在数字和模拟两部分电路， 所以要再把模拟地细分成模拟部分的数字地和模拟部分的模拟地。图1 就是一块14 位数据采集卡的地层分割示意图。 纯数字地和模拟地之间用DC-DC 配合光藕实现完全的隔离， 而模拟部分的数字地和模拟部分的模拟地在AD 芯片的下方一点连通(单AD 芯片)。

图1 数据采集卡地平面分割方法

在不考虑空间辐射的前提下， 我们来分析一下这种地平面分割方法。 数字部分本身对噪声的免疫能力比较强，而模拟部分则不同，由于模拟部分的放大器、ADC/DAC 的参考电压输入端都需要一个纯净的地平面做参考点， 而这部分的地恰恰又是最容易被“污染”的。 所以纯数字地和模拟部分的数字地在这里暂不考虑。 我们只考虑模拟部分的地平面铺设问题。

首先来看一下如图2 所示的一个典型数据采集卡的部分原理图，其中X、Y、Z分别为完成特定功能的电路(或者是芯片)。

图2 数据采集卡部分原理图