ADC数字地DGND、模拟地AGND的谜团！

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在当今的信号处理领域，混合信号器件如ADC、DAC和DSP的使用越来越普遍。为了确保这些器件能够处理宽动态范围的模拟信号并保持低噪声，高速电路设计技术变得至关重要，包括适当的信号走线、去耦和接地策略。过去，"高精度、低速"电路与"高速"电路被视为不同类别，但现代信号处理芯片往往作为高速器件处理。

对于采样ADC（具有内部采样保持电路的ADC）而言，它们以相对高速的时钟操作，具有快速的上升和下降时间，必须被视为高速器件，即便转换速率可能较低。即使一个中速12位SAR ADC在10MHz的内部时钟上工作，其采样速率也只有500 KSPS。同时，Σ-Δ ADC也需要高速时钟，即使在吞吐量为10 Hz至7.5 kHz的工业测量中，也要在5MHz或更高的时钟频率下工作以提供24位分辨率。

混合信号IC涉及模拟和数字端口，因此恰当的接地技术变得尤为重要。这些IC可能具有相对较低的数字电流，也可能具有高电流。正确处理这些电流对于实现最佳性能至关重要。

数字和模拟设计工程师通常从不同角度看待混合信号设备，本教程旨在总结一种通用的接地原理，适用于大多数混合信号设备，无需深入了解其内部电路的细节。

在设计中，低阻抗、大面积的接地层对于模拟电路和数字电路都至关重要。接地层不仅为高速数字逻辑产生的高频电流提供低阻抗返回路径，还能最大限度减少电磁干扰（EMI）/射频干扰（RFI）的辐射。此外，接地层还能允许使用传输线技术（如微带或带状线）来传输高速数字信号或模拟信号。然而，使用标准导线作为接地路径可能导致显著的压降，影响逻辑电路的噪声裕度。

为解决此问题，设计中通常采用星型接地或单点接地方法，使数字电路电流返回路径直接流向GND REF，避免与模拟电路共用阻抗路径。然而，实现真正的单点接地在包含多个高频返回路径的系统中可能会遇到困难，因为单独的电流返回路径导线的物理长度会引入寄生电阻和电感，不符合高频电流的低阻抗接地原则。因此，电流回路必须由大面积接地层组成，以实现高频电流下的低阻抗接地。

对于所有集成电路的接地引脚，应直接连接到低阻抗接地层，以降低串联电感和电阻。使用传统IC插槽时需特别注意，避免额外的电感和电容引入无用的共享路径。对于高速器件，不推荐使用传统IC插槽。个别“引脚插槽”或“笼式插座”可以接受，但反复插拔可能降低性能。

低频和高频的去耦对于电源来说至关重要。在每个电源进入PCB时，应通过大容量电解电容去耦至低阻抗接地层，并且电解电容紧靠电源端子，以降低电源线路上的低频噪声。每个独立的模拟级，各IC封装电源引脚需要局部仅针对高频的滤波，通常使用104电容旁路芯片。正确实施此方法可有效减少噪声。

对于高速芯片（频率大于10MHz），需要类似图2连接的旁路电容来实现好的性能。磁珠并非必需，但可以增强高频噪声的隔离和去耦。需注意，磁珠在饱和之前可能已经非线性，影响功率级的低失真输出。

双层和多层PCB设计中，每个PCB至少应有一层专用于接地。双面电路板的一面上应完全用于接地层，另一面用于互连。尽管实际操作中可能无法实现，但应尽可能保留75%的接地层面积。自动布线技术在混合信号电路板设计中一般不适合，强烈建议采用手动布线。

在多层电路板中，至少一整层可专用于接地，以提供额外的层间电容，有助于电源的高频去耦。对于系统中大量互连的表面贴装IC，通常需要使用多层电路板。

在多卡系统中，降低接地阻抗的最佳方式是使用“母板”PCB作为卡间互连背板，提供连续的接地层。PCB连接器的引脚应至少有30至40%用于接地，连接到背板母板上的接地层。

实现整体系统接地方案有两种可能途径：一是通过多个点连接到机壳接地，扩散各种接地电流返回路径，通常称为“多点”接地系统。二是连接到单个系统“星型接地”点，一般位于电源。第一种方法适用于全数字系统，但应用于混合信号系统时，要求由数字电路产生的接地电流足够低并扩散在大面积上。第二种方法用于具有独立模拟和数字地系统的高速混合信号系统。

在使用了大量数字电路的混合信号系统中，最好在物理上分离敏感的模拟元件与多噪声的数字元件，并针对模拟和数字电路使用分离的接地层。避免重叠可以将两者间的容性耦合降至最低。分离的模拟和数字接地层通过母板接地层或“接地网”在背板上继续延伸。

对于具有低数字电流的混合信号IC（如ADC和DAC），通常可以视为模拟器件，并且可以接地和解耦到模拟接地层。这一要求可能看似矛盾，因为转换器具有模拟和数字接口，通常有指定为模拟接地（AGND）和数字接地（DGND）的引脚。通过外部连通AGND和DGND，并将它们连接到模拟接地层，可以避免引入过多数字噪声。同时，通过插入小型有损铁氧体磁珠，可以进一步与模拟电源隔离，减少瞬态数字电流对模拟电路的影响。

在处理ADC数字输出时，将缓冲寄存器放置在转换器旁是一个好办法，可以将转换器数字线路与数据总线上的噪声隔离开。通过插入串联电阻和缓冲寄存器，可以减少数字瞬态电流对转换器性能的影响。对于ADC输出与缓冲寄存器输入间的串联电阻，可以有助于减少数字输出上的负载，同时提供更好的隔离。

在高性能采样数据系统中，应使用低相位噪声振荡器产生ADC（或DAC）采样时钟。采样时钟振荡器应参考模拟接地层，并接地并深度去耦至模拟接地层，以降低系统SNR（信噪比）的影响。在多卡系统中，模拟和数字接地层在多个点连接，形成系统“星型”接地，模拟和数字电流通过各自的地层返回，互不影响。

在多卡系统中处理具有高数字电流的混合信号器件时，将AGND连接到模拟接地层，而DGND连接到数字接地层，可以确保数字电流与模拟接地层隔离开。然而，两个接地层之间的噪声直接施加于器件的AGND与DGND引脚间，可能降低内部噪声裕量或损坏内部模拟电路，因此需要确保模拟和数字电路充分隔离，并限制AGND与DGND引脚间的噪声。

在设计混合信号系统时，应特别注意PC板布局，防止不同信号之间的干扰。高电平模拟信号应与低电平模拟信号隔离开，两者均应远离数字信号。执行信号和电源连接时，连接器作为信号传输线并行的几个关键位置之一，必须与接地引脚分开，形成法拉第屏蔽，以减少耦合。

多接地引脚对于降低电路板与背板间结点的接地阻抗同样重要，通过分配额外的PCB连接器引脚来增加接地连接，可以降低接触电阻，确保系统性能。使用AD公司的评估板或类似产品作为系统内ADC PC板布局的模型，可以优化接地、