分割接地层的利弊你都清楚么？

凡亿PCB 2024-10-01 08:04

入门级示波器调查 精密双向电流传感放大器：精准测量，守护电流安全

如果分割接地层并且线路穿过分割线(如图1所示)那么电流返回通路在哪里呢?假设两个层在某处连接(通过在一个单独点)，则返回电流必在该大型环路内流动。大型环路内的高频电流产生辐射和高接地电感。大型环路内的低电平模拟电流易受干扰的影响。

图1.数据转换器中的 AGND 和DGND 引脚

如果两个层仅在电源处连接(图2)，则返回电流被迫直接流回电源接地，这是一个真正的大型环路!另外，不幸的是，不同RF电势下使用长线缆连接的模拟和数字接地层，形成一个非常有效的偶极天线。首选使用一个持续接地层以避免这种长接地环路，但是如果使用分割接地层绝对必要并且线路穿过分割线则各层应首先在一个位置连接，以形成一个返回电流的桥(图3)。对所有线路进行布局，让它们穿过该桥，直接在每条线路下面提供一条返回通路，从而产生一个非常小的环路面积。这种方法的典型应用是权衡何时使用高分辨率(>20-bit)∑-∆模数转换器(ADC)。

图2.在电源位置连接的分割层

图3.线路接地层桥接

通过分割层传输信号的其它方法是使用光隔离器(通过光)、变压器(通过磁场)或者一个真正的差动信号(信号沿一条线路传输，然后在另一条线路上返回，无需返回电流接地)。

一种更好的方法是“分区”。仅使用一个接地层始终为首选，把PCB划分为模拟部分和数字部分(参见图4b)。模拟信号必须安排在板的模拟部分，而数字信号必须安排在板的数字部分，并且所有层上都有这两个部分。在这种情况下，数字返回电流不会存在于接地层的模拟部分，并且保持在数字信号线迹下面。图4比较了一个分割层和一个分区层。

图4.接地层布局

分区方法存在的唯一问题是，当模拟信号错误地安排在板的数字部分(反之亦然)时则难以有效，如图5所示。因此，对于所有PCB布局而言，重点是使用一个单个接地层，把它划分为模拟和数字部分，然后运用信号安排原则。

图5.错误安排的数字信号线迹

在一块单独板上使用多个数据转换器时的接地

大多数数据转换器的产品说明书都说明了相对于单一PCB的接地方法，并且通常为制造厂商自己的评估板。一般而言，我们建议把PCB接地层分割为一个模拟层和一个数字层。我们还建议，把转换器的模拟接地(AGND)和数字接地(DGND)主引脚放在一起，并且在同一个点连接模拟和数字接地层，如图6所示。最终，在混合信号器件处形成系统的星形接地点。测量出与该特定点相关的电路所有电压，而不仅仅只是一些让测量探针跳动的未定义接地。

图6.单块PCB上的接地混合信号器件

所有有噪数字电流均通过数字电源流至数字接地层然后再返回至数字电源，以此来隔离于电路板的敏感模拟部分。模拟和数字接地层在数据转换器处交汇在一起时，形成系统的星形接地点。这种方法在使用单独PCB和单个数据转换器的简易系统中一般有效，但是它并不是很适合于多卡和多转换器系统。如果不同PCB上有几个数据转换器，这种方法便无效，因为模拟和数字接地系统在PCB上每个转换器处都交汇在一起，形成许多接地环路。

假设一个设计人员正在使用一块拥有3个DAC和2个ADC的8层PCB。为了最小化噪声，模拟和数字接地层应固定连接在所有ADC和数模转换器(DAC)芯片下面。AGND和DGND引脚应相互连接，并且连接模拟接地层，同时模拟和数字接地层应单独连接回电源。电源应进入数字分区电路板，并直接给数字电路供电然后经过滤波或者调节以后给模拟电路供电。这样应仅把数字接地层连接回电源。图7显示了经过分区的模拟和数字接地层，以及多数据转换器PCB的电源连接。

图7.多ADC的PCB电源与接地

多卡混合信号系统

设计人员开始把单卡接地概念应用于多卡系统，这增加了人们对于混合信号接地的困惑。在一些不同PCB上具有数个数据转换器的系统内，模拟和数字接地层在几个点连接，带来形成接地环路的可能性，并且使单点星形接地系统无法实现最小化多卡系统内接地阻抗的最佳方法是，把一个母板PCB用作两个卡之间互连的底层。这样便可为底板提供一个连续的接地层。PCB连接器至少有30%到40%的引脚用于接地。这些引脚应连接底层母板的接地层。完成整个系统接地方案，共有两种可能性：