對於線性係統而言，"地"是(shi)信(xin)號(hao)的(de)基(ji)準(zhun)點(dian)。遺(yi)憾(han)的(de)是(shi)
，在(zai)單(dan)極(ji)性(xing)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)中(zhong)，它(ta)還(hai)成(cheng)為(wei)電(dian)源(yuan)電(dian)流(liu)的(de)回(hui)路(lu)。接(jie)地(di)策(ce)略(lve)應(ying)用(yong)不(bu)當(dang)，可(ke)能(neng)嚴(yan)重(zhong)損(sun)害(hai)高(gao)精(jing)度(du)線(xian)性(xing)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)。

 

對於所有模擬設計而言，接地都是一個不容忽視的問題，而在基於PCB的電路中，適當實施接地也具有同等重要的意義。幸運的是，某些高質量接地原理，特別是接地層的使用，對於PCB環境是固有不變的。由於這一因素是基於PCB的模擬設計的顯著優勢之一，我們將在本文中對其進行重點討論。

 

我們必須對接地的其他一些方麵進行管理，包括控製可能導致性能降低的雜散接地和信號返回電壓。這些電壓可能是由於外部信號耦合
、公共電流導致的
，或者隻是由於接地導線中的過度IR壓降導致的。適當地布線
、布線的尺寸，以及差分信號處理和接地隔離技術，使得我們能夠控製此類寄生電壓。

 

我們將要討論的一個重要主題是適用於模擬/數字混合信號環境的接地技術。事實上

，高質量接地這個問題可以—也必然—影響到混合信號PCB設計的整個布局原則。

 

目前的信號處理係統一般需要混合信號器件，例如模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)和快速數字信號處理器(DSP)。由於需要處理寬動態範圍的模擬信號，因此必須使用高性能ADC和DAC。在惡劣的數字環境內，能否保持寬動態範圍和低噪聲與采用良好的高速電路設計技術密切相關，包括適當的信號布線、去耦和接地。

 

過去
，一般認為"高精度
、低速"電路與所謂的"高速"電路有所不同。對於ADC和DAC，采樣（或更新）頻率一般用作區分速度標準。不過，以下兩個示例顯示
，實際操作中

，目前大多數信號處理IC真正實現了"高速"

，因此必須作為此類器件來對待

，才能保持高性能。DSP、ADC和DAC均是如此。

 

所有適合信號處理應用的采樣ADC（內置采樣保持電路的ADC）均采用具有快速上升和下降時間（一般為數納秒）的高速時鍾工作，即使呑吐量看似較低也必須視為高速器件。例如
，中速12位逐次逼近型(SAR) ADC可采用10 MHz內部時鍾工作，而采樣速率僅為500 kSPS。

 

Σ-Δ型ADC具有高過采樣比，因此還需要高速時鍾。即使是高分辨率的所謂"低頻"工業測量ADC（例如AD77xx-係列）吞吐速率達到10 Hz至7.5 kHz
，也采用5 MHz或更高時鍾頻率工作，並且提供高達24位的分辨率。

 

更複雜的是，混合信號IC具有模擬和數字兩種端口，因此如何使用適當的接地技術就顯示更加錯綜複雜。此外，某些混合信號IC具有相對較低的數字電流
，而另一些具有高數字電流。很多情況下，這兩種類型的IC需要不同的處理，以實現最佳接地。

 

數(shu)字(zi)和(he)模(mo)擬(ni)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)傾(qing)向(xiang)於(yu)從(cong)不(bu)同(tong)角(jiao)度(du)考(kao)察(cha)混(hun)合(he)信(xin)號(hao)器(qi)件(jian)
，本(ben)文(wen)旨(zhi)在(zai)說(shuo)明(ming)適(shi)用(yong)於(yu)大(da)多(duo)數(shu)混(hun)合(he)信(xin)號(hao)器(qi)件(jian)的(de)一(yi)般(ban)接(jie)地(di)原(yuan)則(ze)，而(er)不(bu)必(bi)了(le)解(jie)內(nei)部(bu)電(dian)路(lu)的(de)具(ju)體(ti)細(xi)節(jie)。

 

tongguoyishangneirong，xianranjiediwentimeiyouyibenkuaisushouce。yihandeshi，womenbingbunengtigongkeyibaozhengjiedichenggongdejishuliebiao。womenzhinengshuohushiyixieshiqing，kenenghuidaozhiyixiewenti。zaimouyigepinlvfanweineixingzhiyouxiaodefangfa，zailingyigepinlvfanweineikenengxingbutong。lingwaihaiyouyixiexianghuchongtudeyaoqiu。chulijiediwentideguanjianzaiyulijiedianliudeliudongfangshi。

 

星型接地

 

"星型"接地的理論基礎是電路中總有一個點是所有電壓的參考點，稱為"星型接地"點。我們可以通過一個形象的比喻更好地加以理解—多條導線從一個共同接地點呈輻射狀擴展，類似一顆星。星型點並不一定在外表上類似一顆星—它可能是接地層上的一個點—但星型接地係統上的一個關鍵特性是：所有電壓都是相對於接地網上的某個特定點測量的，而不是相對於一個不確定的"地"（無論我們在何處放置探頭）。

 

雖sui然ran在zai理li論lun上shang非fei常chang合he理li，但dan星xing型xing接jie地di原yuan理li卻que很hen難nan在zai實shi際ji中zhong實shi施shi。舉ju例li來lai說shuo，如ru果guo係xi統tong采cai用yong星xing型xing接jie地di設she計ji
，而er且qie繪hui製zhi的de所suo有you信xin號hao路lu徑jing都dou能neng使shi信xin號hao間jian的de幹gan擾rao最zui小xiao並bing可ke盡jin量liang避bi免mian高gao阻zu抗kang信xin號hao或huo接jie地di路lu徑jing的de影ying響xiang，實shi施shi問wen題ti便bian隨sui之zhi而er來lai。在zai電dian路lu圖tu中zhong加jia入ru電dian源yuan時shi
，電dian源yuan就jiu會hui增zeng加jia不bu良liang的de接jie地di路lu徑jing
，或huo者zhe流liu入ru現xian有you接jie地di路lu徑jing的de電dian源yuan電dian流liu相xiang當dang大da和he/或具有高噪聲，從而破壞信號傳輸。為電路的不同部分單獨提供電源（因而具有單獨的接地回路）通tong常chang可ke以yi避bi免mian這zhe個ge問wen題ti。例li如ru
，在zai混hun合he信xin號hao應ying用yong中zhong，通tong常chang要yao將jiang模mo擬ni電dian源yuan和he數shu字zi電dian源yuan分fen開kai，同tong時shi將jiang在zai星xing型xing點dian處chu相xiang連lian的de模mo擬ni地di和he數shu字zi地di分fen開kai。

 

單獨的模擬地和數字地

 

事實上，數字電路具有噪聲。飽和邏輯（例如TTL和CMOS）在(zai)開(kai)關(guan)過(guo)程(cheng)中(zhong)會(hui)短(duan)暫(zan)地(di)從(cong)電(dian)源(yuan)吸(xi)入(ru)大(da)電(dian)流(liu)。但(dan)由(you)於(yu)邏(luo)輯(ji)級(ji)的(de)抗(kang)擾(rao)度(du)可(ke)達(da)數(shu)百(bai)毫(hao)伏(fu)以(yi)上(shang)，因(yin)而(er)通(tong)常(chang)對(dui)電(dian)源(yuan)去(qu)耦(ou)的(de)要(yao)求(qiu)不(bu)高(gao)。相(xiang)反(fan)，模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)非(fei)常(chang)容(rong)易(yi)受(shou)噪(zao)聲(sheng)影(ying)響(xiang)—包括在電源軌和接地軌上—yinci
，weilefangzhishuzizaoshengyingxiangmonixingneng
，yinggaibamonidianluheshuzidianlufenkai。zhezhongfenlishejidaojiedihuiluhedianyuanguidefenkai，duihunhexinhaoxitongeryankenengbijiaomafan。

 

然(ran)而(er)
，如(ru)果(guo)高(gao)精(jing)度(du)混(hun)合(he)信(xin)號(hao)係(xi)統(tong)要(yao)充(chong)分(fen)發(fa)揮(hui)性(xing)能(neng)，則(ze)必(bi)須(xu)具(ju)有(you)單(dan)獨(du)的(de)模(mo)擬(ni)地(di)和(he)數(shu)字(zi)地(di)以(yi)及(ji)單(dan)獨(du)電(dian)源(yuan)，這(zhe)一(yi)點(dian)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。事(shi)實(shi)上(shang)，雖(sui)然(ran)有(you)些(xie)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)采(cai)用(yong)+5 V單電源供電運行
，但並不意味著該電路可以與微處理器
、動態RAM、電扇或其他高電流設備共用相同+5 V高(gao)噪(zao)聲(sheng)電(dian)源(yuan)。模(mo)擬(ni)部(bu)分(fen)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)此(ci)類(lei)電(dian)源(yuan)以(yi)最(zui)高(gao)性(xing)能(neng)運(yun)行(xing)，而(er)不(bu)隻(zhi)是(shi)保(bao)持(chi)運(yun)行(xing)。這(zhe)一(yi)差(cha)別(bie)必(bi)然(ran)要(yao)求(qiu)我(wo)們(men)對(dui)電(dian)源(yuan)軌(gui)和(he)接(jie)地(di)接(jie)口(kou)給(gei)予(yu)高(gao)度(du)注(zhu)意(yi)。

 

請注意，係統中的模擬地和數字地必須在某個點相連
，以便讓信號都參考相同的電位。這個星點（也稱為模擬/數字公共點）要精心選擇，確保數字電流不會流入係統模擬部分的地。在電源處設置公共點通常比較便利。

 

許多ADC和DAC都有單獨的"模擬地"(AGND)和"數字地"(DGND)引(yin)腳(jiao)。在(zai)設(she)備(bei)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)上(shang)
，通(tong)常(chang)建(jian)議(yi)用(yong)戶(hu)在(zai)器(qi)件(jian)封(feng)裝(zhuang)處(chu)將(jiang)這(zhe)些(xie)引(yin)腳(jiao)連(lian)在(zai)一(yi)起(qi)。這(zhe)點(dian)似(si)乎(hu)與(yu)要(yao)求(qiu)在(zai)電(dian)源(yuan)處(chu)連(lian)接(jie)模(mo)擬(ni)地(di)和(he)數(shu)字(zi)地(di)的(de)建(jian)議(yi)相(xiang)衝(chong)突(tu)；如果係統具有多個轉換器
，這點似乎與要求在單點處連接模擬地和數字地的建議相衝突。

 

其實並不存在衝突。這些引腳的"模擬地"和"數字地"標記是指引腳所連接到的轉換器內部部分
，而不是引腳必須連接到的係統地。對於ADC，zhelianggeyinjiaotongchangyinggailianzaiyiqi，ranhoulianjiedaoxitongdemonidi。youyuzhuanhuanqidemonibufenwufanaishoushuzidianliujingyouhanxianliuzhixinpianshichanshengdeyajiang
，yinciwufazaiIC封裝內部將二者連接起來。但它們可以在外部連在一起。

 

圖1顯示了ADC的(de)接(jie)地(di)連(lian)接(jie)這(zhe)一(yi)概(gai)念(nian)。這(zhe)樣(yang)的(de)引(yin)腳(jiao)接(jie)法(fa)會(hui)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)降(jiang)低(di)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)數(shu)字(zi)噪(zao)聲(sheng)抗(kang)擾(rao)度(du)，降(jiang)幅(fu)等(deng)於(yu)係(xi)統(tong)數(shu)字(zi)地(di)和(he)模(mo)擬(ni)地(di)之(zhi)間(jian)的(de)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)量(liang)。但(dan)是(shi)，由(you)於(yu)數(shu)字(zi)噪(zao)聲(sheng)抗(kang)擾(rao)度(du)經(jing)常(chang)在(zai)數(shu)百(bai)或(huo)數(shu)千(qian)毫(hao)伏(fu)水(shui)平(ping)，因(yin)此(ci)一(yi)般(ban)不(bu)太(tai)可(ke)能(neng)有(you)問(wen)題(ti)。

 

monizaoshengkangraoduzhihuiyinzhuanhuanqibenshendewaibushuzidianliuliurumonidierjiangdi。zhexiedianliuyinggaibaochihenxiao，tongguoquebaozhuanhuanqishuchumeiyougaofuzai，keyizuidachengdudijianxiaodianliu。shixianzheyimubiaodehaofangfashizaiADC輸出端使用低輸入電流緩衝器
，例如CMOS緩衝器-寄存器IC。

 

如果轉換器的邏輯電源利用一個小電阻隔離
，並且通過0.1 μF (100 nF)dianrongquoudaomonidi，zezhuanhuanqidesuoyoukuaisubianyanshuzidianliudoujiangtongguogaidianrongliuhuidi，erbuhuichuxianzaiwaibudidianluzhong。ruguobaochidizukangmonidi，ernenggouchongfenbaozhengmonixingneng，namewaibushuzididianliusuochanshengdeewaizaoshengjibenshangbuhuigouchengwenti。

 

接地層 

 

接地層的使用與上文討論的星型接地係統相關。為了實施接地層，雙麵PCB（或多層PCB的一層）的de一yi麵mian由you連lian續xu銅tong製zhi造zao，而er且qie用yong作zuo地di。其qi理li論lun基ji礎chu是shi大da量liang金jin屬shu具ju有you可ke能neng最zui低di的de電dian阻zu。由you於yu使shi用yong大da型xing扁bian平ping導dao體ti，它ta也ye具ju有you可ke能neng最zui低di的de電dian感gan。因yin而er，它ta提ti供gong了le最zui佳jia導dao電dian性xing能neng
，包bao括kuo最zui大da程cheng度du地di降jiang低di導dao電dian平ping麵mian之zhi間jian的de雜za散san接jie地di差cha異yi電dian壓ya。

 

請注意
，接地層概念還可以延伸，包括 電壓層。電壓層提供類似於接地層的優勢—極低阻抗的導體—但隻用於一個（或多個）係統電源電壓。因此，係統可能具有多個電壓層以及接地層。

 

雖然接地層可以解決很多地阻抗問題

，但它們並非靈丹妙藥。即使是一片連續的銅箔，也會有殘留電阻和電感；zaitedingqingkuangxia，zhexiejiuzuyifangaidianluzhengchanggongzuo。shejirenyuanyinggaizhuyibuyaozaijiedicengzhuruhengaodianliu，yinweizheyangkenengchanshengyajiang
，congerganraomingandianlu。

 

保持低阻抗大麵積接地層對目前所有模擬電路都很重要。接地層不僅用作去耦高頻電流（源於快速數字邏輯）的低阻抗返回路徑
，還能將EMI/RFI輻射降至最低。由於接地層的屏蔽作用

，電路受外部EMI/RFI的影響也會降低。

 

接地層還允許使用傳輸線路技術（微帶線或帶狀線）傳輸高速數字或模擬信號，此類技術需要可控阻抗。

 

由於"總線(bus wire)"在大多數邏輯轉換等效頻率下具有阻抗
，將其用作"地"完全不能接受。例如，#22標準導線具有約20 nH/in的電感。由邏輯信號產生的壓擺率為10 mA/ns的瞬態電流，流經1英寸該導線時將形成200 mV的無用壓降：

 

圖1. 數據轉換器的模擬地(AGND)和數字地(DGND)引腳應返回到係統模擬地。

 

如果轉換器的邏輯電源利用一個小電阻隔離，並且通過0.1 μF (100 nF)dianrongquoudaomonidi
，zezhuanhuanqidesuoyoukuaisubianyanshuzidianliudoujiangtongguogaidianrongliuhuidi，erbuhuichuxianzaiwaibudidianluzhong。ruguobaochidizukangmonidi，ernenggouchongfenbaozhengmonixingneng
，namewaibushuzididianliusuochanshengdeewaizaoshengjibenshangbuhuigouchengwenti。

 

接地層 

 

接地層的使用與上文討論的星型接地係統相關。為了實施接地層

，雙麵PCB（或多層PCB的一層）的de一yi麵mian由you連lian續xu銅tong製zhi造zao
，而er且qie用yong作zuo地di。其qi理li論lun基ji礎chu是shi大da量liang金jin屬shu具ju有you可ke能neng最zui低di的de電dian阻zu。由you於yu使shi用yong大da型xing扁bian平ping導dao體ti，它ta也ye具ju有you可ke能neng最zui低di的de電dian感gan。因yin而er，它ta提ti供gong了le最zui佳jia導dao電dian性xing能neng
，包bao括kuo最zui大da程cheng度du地di降jiang低di導dao電dian平ping麵mian之zhi間jian的de雜za散san接jie地di差cha異yi電dian壓ya。

 

請注意，接地層概念還可以延伸，包括 電壓層。電壓層提供類似於接地層的優勢—極低阻抗的導體—但隻用於一個（或多個）係統電源電壓。因此
，係統可能具有多個電壓層以及接地層。

 

雖然接地層可以解決很多地阻抗問題

，但它們並非靈丹妙藥。即使是一片連續的銅箔，也會有殘留電阻和電感
；zaitedingqingkuangxia
，zhexiejiuzuyifangaidianluzhengchanggongzuo。shejirenyuanyinggaizhuyibuyaozaijiedicengzhuruhengaodianliu，yinweizheyangkenengchanshengyajiang
，congerganraomingandianlu。

 

保持低阻抗大麵積接地層對目前所有模擬電路都很重要。接地層不僅用作去耦高頻電流（源於快速數字邏輯）的低阻抗返回路徑
，還能將EMI/RFI輻射降至最低。由於接地層的屏蔽作用

，電路受外部EMI/RFI的影響也會降低。

 

接地層還允許使用傳輸線路技術（微帶線或帶狀線）傳輸高速數字或模擬信號，此類技術需要可控阻抗。

 

由於"總線(bus wire)"在大多數邏輯轉換等效頻率下具有阻抗
，將其用作"地"完全不能接受。例如，#22標準導線具有約20 nH/in的電感。由邏輯信號產生的壓擺率為10 mA/ns的瞬態電流
，流經1英寸該導線時將形成200 mV的無用壓降：

 

   (1)

 

對於具有2 V峰峰值範圍的信號，此壓降會轉化為大約200 mV或10%的誤差（大約"3.5位精度"）。即使在全數字電路中
，該誤差也會大幅降低邏輯噪聲裕量。

 

圖2顯示數字返回電流調製模擬返回電流的情況（頂圖）。接jie地di返fan回hui導dao線xian電dian感gan和he電dian阻zu由you模mo擬ni和he數shu字zi電dian路lu共gong享xiang，這zhe會hui造zao成cheng相xiang互hu影ying響xiang
，最zui終zhong產chan生sheng誤wu差cha。一yi個ge可ke能neng的de解jie決jue方fang案an是shi讓rang數shu字zi返fan回hui電dian流liu路lu徑jing直zhi接jie流liu向xiangGND REF，如底圖所示。這顯示了"星型"或huo單dan點dian接jie地di係xi統tong的de基ji本ben概gai念nian。在zai包bao含han多duo個ge高gao頻pin返fan回hui路lu徑jing的de係xi統tong中zhong很hen難nan實shi現xian真zhen正zheng的de單dan點dian接jie地di。因yin為wei各ge返fan回hui電dian流liu導dao線xian的de物wu理li長chang度du將jiang引yin入ru寄ji生sheng電dian阻zu和he電dian感gan，所suo以yi獲huo得de低di阻zu抗kang高gao頻pin接jie地di就jiu很hen困kun難nan。實shi際ji操cao作zuo中zhong，電dian流liu回hui路lu必bi須xu由you大da麵mian積ji接jie地di層ceng組zu成cheng，以yi便bian獲huo取qu高gao頻pin電dian流liu下xia的de低di阻zu抗kang。如ru果guo無wu低di阻zu抗kang接jie地di層ceng，則ze幾ji乎hu不bu可ke能neng避bi免mian上shang述shu共gong享xiang阻zu抗kang，特te別bie是shi在zai高gao頻pin下xia。

 

所有集成電路接地引腳應直接焊接到低阻抗接地層，從而將串聯電感和電阻降至最低。對於高速器件，不推薦使用傳統IC插槽。即使是"小尺寸"插槽，額外電感和電容也可能引入無用的共享路徑
，從而破壞器件性能。如果插槽必須配合DIP封裝使用，例如在製作原型時，個別"引腳插槽"或"籠式插座"是可以接受的。以上引腳插槽提供封蓋和無封蓋兩種版本。由於使用彈簧加載金觸點
，確保了IC引腳具有良好的電氣和機械連接。不過，反複插拔可能降低其性能。

 

圖2. 流入模擬返回路徑的數字電流產生誤差電壓。

 

應使用低電感、表麵貼裝陶瓷電容，將電源引腳直接去耦至接地層。如果必須使用通孔式陶瓷電容，則它們的引腳長度應該小於1 mm。陶瓷電容應盡量靠近IC電源引腳。噪聲過濾還可能需要鐵氧體磁珠。

 

這樣的話，可以說"地"越多越好嗎？接地層能解決許多地阻抗問題，但並不能全部解決。即使是一片連續的銅箔，也會有殘留電阻和電感；在特定情況下，這些就足以妨礙電路正常工作。圖3說明了這個問題，並給出了解決方法。

 

圖3. 割裂接地層可以改變電流流向，從而提高精度。

 

由於實際機械設計的原因，電源輸入連接器在電路板的一端，而需要靠近散熱器的電源輸出部分則在另一端。電路板具有100 mm寬的接地層，還有電流為15 A的功率放大器。如果接地層厚0.038 mm，15 A的電流流過時會產生68 μV/mm的壓降。對於任何共用該PCB且qie以yi地di為wei參can考kao的de精jing密mi模mo擬ni電dian路lu
，這zhe種zhong壓ya降jiang都dou會hui引yin起qi嚴yan重zhong問wen題ti。可ke以yi割ge裂lie接jie地di層ceng，讓rang大da電dian流liu不bu流liu入ru精jing密mi電dian路lu區qu域yu，而er迫po使shi它ta環huan繞rao割ge裂lie位wei置zhi流liu動dong。這zhe樣yang可ke以yi防fang止zhi接jie地di問wen題ti（在這種情況下確實存在），不過該電流流過的接地層部分中電壓梯度會提高。

 

在多個接地層係統中
，請務必避免覆蓋接地層，特別是模擬層和數字層。該問題將導致從一個層（可能是數字地）到另一個層的容性耦合。要記住
，電容是由兩個導體（兩個接地層）組成的，中間用絕緣體（PC板材料）隔離。

 

具有低數字電流的混合信號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。具有低數字電流的ADC和DAC（和其他混合信號IC）一(yi)般(ban)應(ying)視(shi)為(wei)模(mo)擬(ni)元(yuan)件(jian)
，同(tong)樣(yang)接(jie)地(di)並(bing)去(qu)耦(ou)至(zhi)模(mo)擬(ni)接(jie)地(di)層(ceng)。乍(zha)看(kan)之(zhi)下(xia)，這(zhe)一(yi)要(yao)求(qiu)似(si)乎(hu)有(you)些(xie)矛(mao)盾(dun)，因(yin)為(wei)轉(zhuan)換(huan)器(qi)具(ju)有(you)模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)接(jie)口(kou)，且(qie)通(tong)常(chang)有(you)指(zhi)定(ding)為(wei)模(mo)擬(ni)接(jie)地(di)(AGND)和數字接地(DGND)的引腳。圖4有助於解釋這一兩難問題。

 

圖4. 具有低內部數字電流的混合信號IC的正確接地。

 

同時具有模擬和數字電路的IC（例如ADC或DAC）內部，接地通常保持獨立，以免將數字信號耦合至模擬電路內。圖4顯示了一個簡單的轉換器模型。將芯片焊盤連接到封裝引腳難免產生線焊電感和電阻，IC設計人員對此是無能為力的，心中清楚即可。快速變化的數字電流在B點產生電壓，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，並接到模擬接地層。DGND連接內的任何額外阻抗將在B點產生更多數字噪聲
；繼而使更多數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的數字地
，但並不意味著此引腳必須連接到係統的數字地。可以更準確地將其稱為IC的內部"數字回路"。

 

這種安排確實可能給模擬接地層帶來少量數字噪聲
，但這些電流非常小，隻要確保轉換器輸出不會驅動較大扇出（通常不會如此設計）就能降至最低。將轉換器數字端口上的扇出降至最低（也意味著電流更低）
，還(hai)能(neng)讓(rang)轉(zhuan)換(huan)器(qi)邏(luo)輯(ji)轉(zhuan)換(huan)波(bo)形(xing)少(shao)受(shou)振(zhen)鈴(ling)影(ying)響(xiang)，盡(jin)可(ke)能(neng)減(jian)少(shao)數(shu)字(zi)開(kai)關(guan)電(dian)流(liu)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)至(zhi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)模(mo)擬(ni)端(duan)口(kou)的(de)耦(ou)合(he)。通(tong)過(guo)插(cha)入(ru)小(xiao)型(xing)有(you)損(sun)鐵(tie)氧(yang)體(ti)磁(ci)珠(zhu)
，如(ru)圖(tu)4所示，邏輯電源引腳pin (VD) 可進一步與模擬電源隔離。轉換器的內部瞬態數字電流將在小環路內流動
，從VD 經去耦電容到達DGND（此路徑用圖中紅線表示）。因此瞬態數字電流不會出現在外部模擬接地層上，而是局限於環路內。VD引腳去耦電容應盡可能靠近轉換器安裝，以便將寄生電感降至最低。去耦電容應為低電感陶瓷型，通常介於0.01 μF (10 nF)和0.1 μF (100 nF)之間。

 

再強調一次，沒有任何一種接地方案適用於所有應用。但是，通過了解各個選項和提前進行規則
，可以最大程度地減少問題。

 

小心處理ADC數字輸出

 

將數據緩衝器放置在轉換器旁不失為好辦法
，可將數字輸出與數據總線噪聲隔離開（如圖4所示）。數據緩衝器也有助於將轉換器數字輸出上的負載降至最低，同時提供數字輸出與數據總線間的法拉第屏蔽（如圖5所示）。雖然很多轉換器具有三態輸出/輸入，但這些寄存器仍然在芯片上
；它ta們men使shi數shu據ju引yin腳jiao信xin號hao能neng夠gou耦ou合he到dao敏min感gan區qu域yu
，因yin而er隔ge離li緩huan衝chong區qu依yi然ran是shi一yi種zhong良liang好hao的de設she計ji方fang式shi。某mou些xie情qing況kuang下xia，甚shen至zhi需xu要yao在zai模mo擬ni接jie地di層ceng上shang緊jin靠kao轉zhuan換huan器qi輸shu出chu提ti供gong額e外wai的de數shu據ju緩huan衝chong器qi

，以yi提ti供gong更geng好hao的de隔ge離li。

 

圖5. 在輸出端使用緩衝器/鎖存器的高速ADC 具有對數字數據總線噪聲的增強抗擾度。

 

ADC輸出與緩衝寄存器輸入間的串聯電阻（圖4中標示為"R"）有you助zhu於yu將jiang數shu字zi瞬shun態tai電dian流liu降jiang至zhi最zui低di，這zhe些xie電dian流liu可ke能neng影ying響xiang轉zhuan換huan器qi性xing能neng。電dian阻zu可ke將jiang數shu字zi輸shu出chu驅qu動dong器qi與yu緩huan衝chong寄ji存cun器qi輸shu入ru的de電dian容rong隔ge離li開kai。此ci外wai
，由you串chuan聯lian電dian阻zu和he緩huan衝chong寄ji存cun器qi輸shu入ru電dian容rong構gou成cheng的deRC網絡用作低通濾波器，以減緩快速邊沿。

 

典型CMOS柵極與PCB走線和通孔結合在一起，將產生約10 pF的負載。如果無隔離電阻，1 V/ns的邏輯輸出壓擺率將產生10 mA的動態電流：

 

   (2)

 

驅動10 pF的寄存器輸入電容時，500 Ω串聯電阻可將瞬態輸出電流降至最低
，並產生約11 ns的上升和下降時間：

 

   (3)

 

圖6. 接地和去耦點。

 

由於TTL寄存器具有較高輸入電容，可明顯增加動態開關電流，因此應避免使用

 

緩衝寄存器和其他數字電路應接地並去耦至PCbandeshuzijiediceng。qingzhuyi，moniyushuzijiedicengjianderenhezaoshengjunkejiangdizhuanhuanqishuzijiekoushangdezaoshengyuliang。youyushuzizaoshengkangraoduzaishubaihuoshuqianhaofushuiping，yinciyibanbutaikenengyouwenti。monijiedicengzaoshengtongchangbugao，danruguoshuzijiedicengshangdezaosheng（相對於模擬接地層）chaoguoshubaihaofu
，zeyingcaiqucuoshijianxiaoshuzijiedicengzukang，yijiangshuzizaoshengyuliangbaochizaikejieshoudeshuiping。renheqingkuangxia，lianggejiedicengzhijiandedianyabudechaoguo300 mV

，否則IC可能受損。

 

最好提供針對模擬電路和數字電路的獨立電源。模擬電源應當用於為轉換器供電。如果轉換器具有指定的數字電源引腳(VD)，應采用獨立模擬電源供電
，或者如圖6所示進行濾波。所有轉換器電源引腳應去耦至模擬接地層，所有邏輯電路電源引腳應去耦至數字接地層，如圖6所示。如果數字電源相對安靜，則可以使用它為模擬電路供電，但要特別小心。

 

某些情況下，不可能將VD連接到模擬電源。一些高速IC可能采用+5 V電源為其模擬電路供電
，而采用+3.3 V或更小電源為數字接口供電

，以便與外部邏輯接口。這種情況下
，IC的+3.3 V引腳應直接去耦至模擬接地層。另外建議將鐵氧體磁珠與電源走線串聯，以便將引腳連接到+3.3 V數字邏輯電源。

 

采樣時鍾產生電路應與模擬電路同樣對待，也接地並深度去耦至模擬接地層。采樣時鍾上的相位噪聲會降低係統信噪比(SNR)
；我們將稍後對此進行討論。

 

采樣時鍾考量

 

在高性能采樣數據係統中，應使用低相位噪聲晶體振蕩器產生ADC（或DAC）采樣時鍾，因為采樣時鍾抖動會調製模擬輸入/輸出信號，並提高噪聲和失真底。采樣時鍾發生器應與高噪聲數字電路隔離開，同時接地並去耦至模擬接地層

，與處理運算放大器和ADC一樣。

 

采樣時鍾抖動對ADC信噪比(SNR)的影響可用以下公式4近似計算：

 

   (4)

 

其中

，f為模擬輸入頻率，SNR為完美無限分辨率ADC的SNR，此時唯一的噪聲源來自rms采樣時鍾抖動tj。通過簡單示例可知
，如果t_j = 50 ps (rms)
，f = 100 kHz，則SNR = 90 dB，相當於約15位的動態範圍。

 

應注意

，以上示例中的tj 實際上是外部時鍾抖動和內部ADC時鍾抖動( 稱為孔徑抖動)的方和根(rss)值。不過
，在大多數高性能ADC中，內部孔徑抖動與采樣時鍾上的抖動相比可以忽略。

 

由於信噪比(SNR)降(jiang)低(di)主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)於(yu)外(wai)部(bu)時(shi)鍾(zhong)抖(dou)動(dong)導(dao)致(zhi)的(de)，因(yin)而(er)必(bi)須(xu)采(cai)取(qu)措(cuo)施(shi)，使(shi)采(cai)樣(yang)時(shi)鍾(zhong)盡(jin)量(liang)無(wu)噪(zao)聲(sheng)
，僅(jin)具(ju)有(you)可(ke)能(neng)最(zui)低(di)的(de)相(xiang)位(wei)抖(dou)動(dong)。這(zhe)就(jiu)要(yao)求(qiu)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)晶(jing)體(ti)振(zhen)蕩(dang)器(qi)。有(you)多(duo)家(jia)製(zhi)造(zao)商(shang)提(ti)供(gong)小(xiao)型(xing)晶(jing)體(ti)振(zhen)蕩(dang)器(qi)，可(ke)產(chan)生(sheng)低(di)抖(dou)動(dong)（小於5 ps rms）的CMOS兼容輸出。

 

理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)下(xia)，采(cai)樣(yang)時(shi)鍾(zhong)晶(jing)體(ti)振(zhen)蕩(dang)器(qi)應(ying)參(can)考(kao)分(fen)離(li)接(jie)地(di)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)模(mo)擬(ni)接(jie)地(di)層(ceng)。但(dan)是(shi)，係(xi)統(tong)限(xian)製(zhi)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)這(zhe)一(yi)點(dian)無(wu)法(fa)實(shi)現(xian)。許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)
，采(cai)樣(yang)時(shi)鍾(zhong)必(bi)須(xu)從(cong)數(shu)字(zi)接(jie)地(di)層(ceng)上(shang)產(chan)生(sheng)的(de)更(geng)高(gao)頻(pin)率(lv)、多用途係統時鍾獲得，接著必須從數字接地層上的原點傳遞至模擬接地層上的ADC。兩層之間的接地噪聲直接添加到時鍾信號，並產生過度抖動。抖動可造成信噪比降低，還會產生幹擾諧波。

 

圖7. 從數模接地層進行采樣時鍾分配。

 

混合信號接地的困惑根源

 

大多數ADC
、DAC和其他混合信號器件數據手冊是針對單個PCB討論接地
，通常是製造商自己的評估板。將這些原理應用於多卡或多ADC/DAC係統時，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字層，並將轉換器的AGND和DGND引腳連接在一起
，並且在同一點連接模擬接地層和數字接地層
，如圖8所示。這樣就基本在混合信號器件上產生了係統"星型"接地。所有高噪聲數字電流通過數字電源流入數字接地層，再返回數字電源

；與電路板敏感的模擬部分隔離開。係統星型接地結構出現在混合信號器件中模擬和數字接地層連接在一起的位置。

 

該方法一般用於具有單個PCB和單個ADC/DAC的簡單係統，不適合多卡混合信號係統。在不同PCB（甚至在相同PCB上）上具有數個ADC或DAC的係統中
，模擬和數字接地層在多個點連接，使得建立接地環路成為可能，而單點"星型"接地係統則不可能。鑒於以上原因，此接地方法不適用於多卡係統
，上述方法應當用於具有低數字電流的混合信號IC。

 

圖8. 混合信號IC接地：單個PCB（典型評估/測試板）。

 

針對高頻工作的接地

 

一般提倡電源和信號電流最好通過"接地層"返回
，而且該層還可為轉換器、基準電壓源和其它子電路提供參考節點。但是
，即便廣泛使用接地層也不能保證交流電路具有高質量接地參考。

 

圖9所示的簡單電路采用兩層印刷電路板製造，頂層上有一個交直流電流源

，其一端連到過孔1，另一端通過一條U形銅走線連到過孔2。兩個過孔均穿過電路板並連到接地層。理想情況下，頂端連接器以及過孔1和過孔2之間的接地回路中的阻抗為零，電流源上的電壓為零。

 

圖9. 電流源的原理圖和布局，PCB上布設U形走線，通過接地層返回。

 

這個簡單原理圖很難顯示出內在的微妙之處，但了解電流如何在接地層中從過孔1流到過孔2，將有助於我們看清實際問題所在，並找到消除高頻布局接地噪聲的方法。

 

圖10. 圖9所示PCB的直流電流的流動。

 

圖10所示的直流電流的流動方式，選取了接地層中從過孔1至過孔2的de電dian阻zu最zui小xiao的de路lu徑jing。雖sui然ran會hui發fa生sheng一yi些xie電dian流liu擴kuo散san，但dan基ji本ben上shang不bu會hui有you電dian流liu實shi質zhi性xing偏pian離li這zhe條tiao路lu徑jing。相xiang反fan
，交jiao流liu電dian流liu則ze選xuan取qu阻zu抗kang最zui小xiao的de路lu徑jing，而er這zhe要yao取qu決jue於yu電dian感gan。

 

圖11. 磁力線和感性環路（右手法則）。

 

電感與電流環路的麵積成比例
，二者之間的關係可以用圖11所suo示shi的de右you手shou法fa則ze和he磁ci場chang來lai說shuo明ming。環huan路lu之zhi內nei，沿yan著zhe環huan路lu所suo有you部bu分fen流liu動dong的de電dian流liu所suo產chan生sheng的de磁ci場chang相xiang互hu增zeng強qiang。環huan路lu之zhi外wai
，不bu同tong部bu分fen所suo產chan生sheng的de磁ci場chang相xiang互hu削xue弱ruo。因yin此ci

，磁ci場chang原yuan則ze上shang被bei限xian製zhi在zai環huan路lu以yi內nei。環huan路lu越yue大da則ze電dian感gan越yue大da，這zhe意yi味wei著zhe：對於給定的電流水平
，它儲存的磁能(Li2)更多

，阻抗更高(XL = jωL)，因而將在給定頻率產生更大電壓。

 

圖12. 接地層中不含電阻（左圖）和含電阻（右圖）的交流電流路徑。

 

電流將在接地層中選取哪一條路徑呢
？自然是阻抗最低的路徑。考慮U形表麵引線和接地層所形成的環路，並忽略電阻，則高頻交流電流將沿著阻抗最低，即所圍麵積最小的路徑流動。

 

在圖中所示的例子中，麵積最小的環路顯然是由U形頂部走線與其正下方的接地層部分所形成的環路。圖10顯示了直流電流路徑，圖12則顯示了大多數交流電流在接地層中選取的路徑，它所圍成的麵積最小，位於U形頂部走線正下方。實際應用中，接地層電阻會導致低中頻電流流向直接返回路徑與頂部導線正下方之間的某處。不過，即使頻率低至1 MHz或2 MHz，返回路徑也是接近頂部走線的下方。

 

小心接地層割裂

 

ruguodaoxianxiafangdejiedicengshangyougelie，jiedicengfanhuidianliubixuhuanraoliefengliudong。zhehuidaozhidianludianganzengjia

，erqiedianluyegengrongyishoudaowaibuchangdeyingxiang。tu13顯示了這一情況，其中的導線A和導線B必須相互穿過。

 

當(dang)割(ge)裂(lie)是(shi)為(wei)了(le)使(shi)兩(liang)根(gen)垂(chui)直(zhi)導(dao)線(xian)交(jiao)叉(cha)時(shi)，如(ru)果(guo)通(tong)過(guo)飛(fei)線(xian)將(jiang)第(di)二(er)根(gen)信(xin)號(hao)線(xian)跨(kua)接(jie)在(zai)第(di)一(yi)根(gen)信(xin)號(hao)線(xian)和(he)接(jie)地(di)層(ceng)上(shang)方(fang)，則(ze)效(xiao)果(guo)更(geng)佳(jia)。此(ci)時(shi)，接(jie)地(di)層(ceng)用(yong)作(zuo)兩(liang)個(ge)信(xin)號(hao)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)天(tian)然(ran)屏(ping)蔽(bi)體(ti)
，而(er)由(you)於(yu)集(ji)膚(fu)效(xiao)應(ying)，兩(liang)路(lu)地(di)返(fan)回(hui)電(dian)流(liu)會(hui)在(zai)接(jie)地(di)層(ceng)的(de)上(shang)下(xia)表(biao)麵(mian)各(ge)自(zi)流(liu)動(dong)
，互(hu)不(bu)幹(gan)擾(rao)。

 

duocengbannenggoutongshizhichixinhaoxianjiaochahelianxujiediceng，erwuxukaolvxianlianluwenti。suiranduocengbanjiagejiaogao
，erqieburujiandandeshuangmiandianlubantiaoshifangbian，danshipingbixiaoguogenghao
，xinhaoluyougengjia。xiangguanyuanlirengranbaochibubian，danbujubuxianxuanxianggengduo。

 

對於高性能混合信號電路而言
，使用至少具有一個連續接地層的雙麵或多層PCB無wu疑yi是shi最zui成cheng功gong的de設she計ji方fang法fa之zhi一yi。通tong常chang，此ci類lei接jie地di層ceng的de阻zu抗kang足zu夠gou低di，允yun許xu係xi統tong的de模mo擬ni和he數shu字zi部bu分fen共gong用yong一yi個ge接jie地di層ceng。但dan是shi，這zhe一yi點dian能neng否fou實shi現xian

，要yao取qu決jue於yu係xi統tong中zhong的de分fen辨bian率lv和he帶dai寬kuan要yao求qiu以yi及ji數shu字zi噪zao聲sheng量liang。

 

圖13. 接地層割裂導致電路電感增加，而且電路也更容易受到外部場的影響。

 

qitaliziyekeyishuomingzheyidian。gaopindianliufankuixingfangdaqiduiqifanxiangshuruzhouweidedianrongfeichangmingan。jiedicengpangdeshuruzouxiankenengjuyounenggoudaozhiwentidenayileidianrong。yaojizhu


，dianrongshiyoulianggedaoti（走線和接地層）組成的
，中間用絕緣體（板和可能的阻焊膜）隔離。在這一方麵，接地層應與輸入引腳分隔開，如圖14所示，它是AD8001高速電流反饋型放大器的評估板。小電容對電流反饋型放大器的影響如圖15所示。請注意輸出上的響鈴振蕩。

 

圖14. AD8001AR評估板—俯視圖(a)和仰視圖(b)。

 

圖15. 10 pF反相輸入雜散電容對 放大器(AD8001)脈衝響應的影響。

 

接地總結

 

沒有任何一種接地方法能始終保證最佳性能。本文根據所考慮的特定混合信號器件特性提出了幾種可能的選項。在實施初始PC板布局時
，提供盡可能多的選項會很有幫助。

 

PC板必須至少有一層專用於接地層！初(chu)始(shi)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局(ju)應(ying)提(ti)供(gong)非(fei)重(zhong)疊(die)的(de)模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)接(jie)地(di)層(ceng)

，如(ru)果(guo)需(xu)要(yao)，應(ying)在(zai)數(shu)個(ge)位(wei)置(zhi)提(ti)供(gong)焊(han)盤(pan)和(he)過(guo)孔(kong)，以(yi)便(bian)安(an)裝(zhuang)背(bei)對(dui)背(bei)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)或(huo)鐵(tie)氧(yang)體(ti)磁(ci)珠(zhu)。此(ci)外(wai)
，需(xu)要(yao)時(shi)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)跳(tiao)線(xian)將(jiang)模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)接(jie)地(di)層(ceng)連(lian)接(jie)在(zai)一(yi)起(qi)。

 

一般而言，混合信號器件的AGND引腳應始終連接到模擬接地層。具有內部鎖相環(PLL)的DSP是一個例外，例如ADSP-21160 SHARC®處理器。PLL的接地引腳是標記的AGND，但直接連接到DSP的數字接地層。

 

參考電路

 

Barrow, Jeff. “Avoiding Ground Problems in High Speed Circuits.” RF Design, July 1989.

 

Barrow, Jeff. “Reducing Ground Bounce in DC-to-DC Converters—Some Grounding Essentials.” Analog Dialogue. Vol. 41, No. 2, pp. 3-7, 2007.

 

Bleaney, B & B.I. Electricity and Magnetism. Oxford at the Clarendon Press, 1957: pp. 23, 24, and 52.

 

Brokaw, Paul. AN-202 Application Note. An IC Amplifier User’s Guide to Decoupling, Grounding and Making Things Go Right for a Change. Analog Devices, 2000.

 

Brokaw, Paul and Jeff Barrow. AN-345 Application Note. Grounding for Low- and High-Frequency Circuits. Analog Devices.

 

The Data Conversion Handbook. Edited by Walt Kester. Newnes, 2005. ISBN 0-7506-7841-0.

 

Johnson, Howard W. and Martin Graham. High-Speed Digital Design. PTR Prentice Hall, 1993. ISBN: 0133957241. 

 

Kester, Walt. “A Grounding Philosophy for Mixed-Signal Systems.” Electronic Design Analog Applications Issue, June 23, 1997: pp. 29.

 

Kester, Walt and James Bryant. “Grounding in High Speed Systems.” High Speed Design Techniques. Analog Devices, 1996: Chapter 7, pp. 7-27.

 

Linear Circuit Design Handbook. Edited by Hank Zumbahlen. Newnes, February 2008. ISBN 978-0-7506-8703-4.

 

Montrose, Mark. EMC and the Printed Circuit Board. IEEE Press, 1999 (IEEE Order Number PC5756).

 

Morrison, Ralph. Grounding and Shielding Techniques. 4th Edition. John Wiley & Sons, Inc., 1998. ISBN: 0471245186.

 

Morrison, Ralph. Solving Interference Problems in Electronics. John Wiley & Sons, Inc., 1995.

 

Motchenbacher, C. D. and J. A. Connelly. Low Noise Electronic System Design. John Wiley & Sons, Inc., 1993.

 

Op Amp Applications Handbook. Edited by Walt Jung. Newnes, 2005. ISBN 0-7506-7844-5.

 

Ott, Henry W. Noise Reduction Techniques in Electronic Systems. 2nd Edition. John Wiley & Sons, Inc., 1988. ISBN: 0-471-85068-3.

 

Rempfer, William C. “Get All the Fast ADC Bits You Pay For.” Electronic Design. Special Analog Issue, June 24, 1996: pp. 44.

 

Rich, Alan. “Shielding and Guarding.” Analog Dialogue. Vol. 17, No. 1, pp. 8, 1983.

 

Sauerwald, Mark. “Keeping Analog Signals Pure in a Hostile Digital World.” Electronic Design. Special Analog Issue, June 24, 1996: pp. 57.

 

致謝

 

本文提供的材料由多名投稿人編輯，包括James Bryant、Mike Byrne、Walt Jung
、Walt Kester、Ray Stata以及ADI公司的工程設計人員。

 

 

推薦閱讀：