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123下一页> 关键字：混合信号 PCB 接地 单点接地 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80013537
几部分电路和供电电源的低端都标有等电势符号， 表明所有的接地符号都处于同一个电位。 在实际的PCB 设计中，我们在对电路进行布图布线时， 一般都会采用如图3所示的连接方法(用导线和通过地平面连接原理是一样的)。
图3 用导线连接的地线示意图
由于有完整的地平面，所以，在进行PCB 设计时通常是将SIGNAL_TOP或者SIGNAL_BOTTOM层中各器件的地都直接就近打在地层上，采用这种接地方法的目的就是要保证各接地点的对地阻抗尽量小。这样各部分电路的等电势端之间用导线（地层同样可以看作是导线的，只是电阻要小些）连接。
但是，当考虑导线（地平面）及过孔上的电阻时情况就不一样了。如图4所示。
图4 一般布线方法
考虑到各段之间的电阻，则在各部分电路作为参考点的接地端就有了变化，假设各段的电阻为3.2mΩ这个数值是根据18#导线的电阻值计得来，那么电路Z接地端就大约有个1mV的电压偏置，电路Y接地端的电压偏置达到了700μV。小功率（或许是小信号）电路X的地端的偏置大约是352μV。如果X是一个运算放大器，它的正输入端接到本身的接地点，则相加点对以供电电源的地平面做参考点信号源就会产生一个325mV 的偏置，同时由于放大电路的存在，整个误差会被再次放大。同样，如果Z是一ADC，则相当于在其外部参考电压输入管脚的地平面上加上了一个1mV的偏置。以14位数据采集系统为例，假设,其输入范围为+5V>-5V（即量程为10V），通过计算（计算公式为：量程/214）可知其LSB为0.61mV，即使是在没有任何其他损失的情况下，ADC（模数转换芯片）已经损失了一位半，接近两位。相当于只使用了一个12分辨率的ADC，整个系统的精度不可能再达到14位。所以说，在一个分辨率为14位或者更高位的数据采集系统中，这种,情况是绝对不允许的。改善这种状况的方法如图5所示。
图5单点接地电路
从每部分电路到供电电源的地平面参考点分开导线走线。通过这种方法，电路X相对于地只有0.32μV的偏置，偏置减少了90%，现在就可以忽略不计了，电路Y的偏置也减少了90%多，只有64μV。与图4相比，这种方法极大的减小了各个电路间由于电流的叠加作用产生的相互干扰。但Z的偏置仍然是1mV左右。为了进一步改善电路Z的偏置仍然比较大的问题，改善的方法有如下几种，例如，可以使用更粗的导线作为信号的返回线，或者X和Z的位置互换，使大功率电路Z更靠近电源的地。还有一种方法就是由于电路间的相互干扰已经消失，对于对地偏置确定的电路，我们可以采用补偿的方法对其进行校正。
电路5实际上已经达到了电路2的目的，即所有电路的低端都回到单一的公共“地”点，避免在导线上共同形成电压降。 每一条线都分开返回，地线电流不会混在一起。实际上，单一接地点可以是一块真正的金属块，在公共点提供最低可能的电阻。 如果供电电源的压降必须减小到最小，则电源“高”端导线也可按相似的方法接线。
公共线也可以是一条很粗的母线，只要线上的干扰满足低电平的要求。这样的母线对于数字电路也是合适的公共地线，最后数字公共“地”接到模拟的“地”以建立整个系统的公共“地”。
包含有多个电源和多个机箱的系统则需要考虑的更多一些。通常，不管电源是谁供给2所有的线汇到公共点2然后和系统得公共端接在一起，以便工作。如图5，使所有+5V的负载都回到+5V的公共端（低端）， 所有+15V的负载都回到+15V的公共端（低端），最后用一条导线将公共端连在一起。在多电源系统中2可能需要进行判断性试验确定地线接法以达到最佳的解决方案。
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2 单点接地应用实例
以一块精度为万分之一的数模转换卡为例说明单点接地在实际工程中的应用方法。
在这块数模转换卡中，DA****??使用的是BB公司的DAC7734，它是一款16位高速DAC，输出范围为-10V~+10V，数据采用串行输入，每片内有4路模拟输出，每路都有独立的基,准电压输入端。共使用两片DAC7734，对外共有8路模拟输出。
电压基准电路是使用National Semiconductor的LF442搭建的，可以进行微调，以保证输出的精度。
由于板卡上有两个DA****??，所以在进行PCB设计时将每个DAC的周边电路的模拟地通过导线直接连接到DAC的模拟地上，然后在两个DAC中间通过一点与模拟部分的数字地连接。
根据以上研究的混合信号地平面分割以减小干扰的方法，得到如下实际布线图如图6所示。（图中只画出了一个DAC及其周围电路的地的连接情况）。
每个器件（包括其周围电容）的接地端分别用很粗的导线连接到AD或者是DA 的模拟地上，所有的地都在AD或者DA的下面与数字地一点连接。
图6 实际布线
最后的调试结果表明：在使用了单点接地的地平面处理方法后，精度得到了很好的控制，达到了万分之一，满足了设计要求，而且非常稳定。
3 结束语
随着工业现场对于A/D、D/A系统的需求越来越多，标准也越来越高，更高速度和精度的A/D、D/A系统的需求也在增大，而地平面的处理恰恰就是制约速度和精度不断提升的瓶颈。本文研究的混合信号地平面处理方法已在多个工程中得到应用，并取得了很好的效果。
