中心議題：
- 混合信號PCB設計中單點接地的原理
- 混合信號PCB設計中單點接地應用實例
隨著計算機技術的不斷提高，高性能的模擬輸/輸出系統越來越受到重視。無論在模擬輸入系統還是在模擬輸出系統中，都存在著數字信號與模擬信號共存的問題。尤其是對于一塊混合信號的PCB（印刷電路板），模擬電路和數字電路交錯混雜。同數字信號相比，模擬信號由于其噪聲免疫能力差，容易受到數字部分的高頻信號的影響，更容易遭受干擾。因此，在模擬信號和數字信號并存的混合信號系統中，如何對二者劃分、處理，都要進行充分的考慮，才能提高模擬信號采集的精度。而其中對系統“地”的設計是一個很關鍵的問題。本文主要闡述了一種在PCB設計中比較特別的地平面鋪設方式—單點接地。
1 單點接地原理
現在越來越多的多層PCB 被用到各種工程應用中，4層、8層、12層的PCB 已經很常見了，甚至根據特殊應用需求，更多層的PCB 也被應用在工程中。 相對來說，4層板應用的最為廣泛。 使用多層印制板是為了得到更好的電磁兼容性。 使得印制板在正常工作時能滿足所要求的電磁兼容和敏感度標準。 正確的堆疊有助于屏蔽和抑制EMI（電磁干擾）。 在4層的PCB 設計中， 硬件設計人員在分層時一般會使用如下的層劃分方式：SIGNAL_TOP、GND、POWER、SIGNAL_BOTTOM。
SIGNAL_TOP為頂層的信號層，GND為地層，POWER為電源層，SIGNAL_BOTTOM為底層的信號層。
這是最常用的層劃分方法，其中，對地層的處理通常的做法是給整個GND 層全部覆銅，一方面起到屏蔽作用，另一方面可以給高頻數字信號一個完整的回流路徑。
模擬信號和數字信號都需要回流到地，但是，隨著數字電路工作速度的提高，信號邊緣越來越陡峭，目前大多數工程設計中的數字系統的信號邊緣都已達到了ps級別，從頻域來看，這種信號有著非常豐富的高頻分量， 其頻譜范圍甚至可以達到幾十GHz。 正是由于數字信號變化速度快， 數字地上的浮動就比較大，從而造成數字地上引起的噪聲就會很大。 而對于混合信號來說， 無論是數模轉換還是模數轉換’ 運算放大器還是ADC/DAC，模擬信號都是需要一個純凈的地作為參考平面來工作的。
如果模擬地和數字地混在一起，噪聲就會影響到模擬信號。所以，在混合信號的PCB 設計中，要對數字地和模擬地進行劃分。 以數據采集板卡為例，在精度和速度要求不是很高的情況下，可以只是簡單的將地分割為數字地和模擬地，中間用瓷珠或者二極管連接，也可以直接一點短接，以減小數字地的波動對模擬地的影響。 但是在精度和速度都要求比較高的情況下，這種簡單的分割所起的作用就微乎其微了。 這時就要進行更精細的分割了。 首先將整個地先分成純數字地和模擬地，由于AD 芯片本身同時存在數字和模擬兩部分電路， 所以要再把模擬地細分成模擬部分的數字地和模擬部分的模擬地。圖1 就是一塊14 位數據采集卡的地層分割示意圖。 純數字地和模擬地之間用DC-DC 配合光藕實現完全的隔離， 而模擬部分的數字地和模擬部分的模擬地在AD 芯片的下方一點連通(單AD 芯片)。
圖1 數據采集卡地平面分割方法
在不考慮空間輻射的前提下， 我們來分析一下這種地平面分割方法。 數字部分本身對噪聲的免疫能力比較強，而模擬部分則不同，由于模擬部分的放大器、ADC/DAC 的參考電壓輸入端都需要一個純凈的地平面做參考點， 而這部分的地恰恰又是最容易被“污染”的。 所以純數字地和模擬部分的數字地在這里暫不考慮。 我們只考慮模擬部分的地平面鋪設問題。
首先來看一下如圖2 所示的一個典型數據采集卡的部分原理圖，其中X、Y、Z分別為完成特定功能的電路(或者是芯片)。
圖2 數據采集卡部分原理圖[page]
幾部分電路和供電電源的低端都標有等電勢符號， 表明所有的接地符號都處于同一個電位。 在實際的PCB 設計中，我們在對電路進行布圖布線時， 一般都會采用如圖3所示的連接方法(用導線和通過地平面連接原理是一樣的)。
圖3 用導線連接的地線示意圖
由于有完整的地平面，所以，在進行PCB 設計時通常是將SIGNAL_TOP或者SIGNAL_BOTTOM層中各器件的地都直接就近打在地層上，采用這種接地方法的目的就是要保證各接地點的對地阻抗盡量小。這樣各部分電路的等電勢端之間用導線（地層同樣可以看作是導線的，只是電阻要小些）連接。
但是，當考慮導線（地平面）及過孔上的電阻時情況就不一樣了。如圖4所示。
圖4 一般布線方法
考慮到各段之間的電阻，則在各部分電路作為參考點的接地端就有了變化，假設各段的電阻為3.2mΩ這個數值是根據18#導線的電阻值計得來，那么電路Z接地端就大約有個1mV的電壓偏置，電路Y接地端的電壓偏置達到了700μV。小功率（或許是小信號）電路X的地端的偏置大約是352μV。如果X是一個運算放大器，它的正輸入端接到本身的接地點，則相加點對以供電電源的地平面做參考點信號源就會產生一個325mV 的偏置，同時由于放大電路的存在，整個誤差會被再次放大。同樣，如果Z是一ADC，則相當于在其外部參考電壓輸入管腳的地平面上加上了一個1mV的偏置。以14位數據采集系統為例，假設,其輸入范圍為+5V>-5V（即量程為10V），通過計算（計算公式為：量程/214）可知其LSB為0.61mV，即使是在沒有任何其他損失的情況下，ADC（模數轉換芯片）已經損失了一位半，接近兩位。相當于只使用了一個12分辨率的ADC，整個系統的精度不可能再達到14位。所以說，在一個分辨率為14位或者更高位的數據采集系統中，這種,情況是絕對不允許的。改善這種狀況的方法如圖5所示。
圖5單點接地電路
從每部分電路到供電電源的地平面參考點分開導線走線。通過這種方法，電路X相對于地只有0.32μV的偏置，偏置減少了90%，現在就可以忽略不計了，電路Y的偏置也減少了90%多，只有64μV。與圖4相比，這種方法極大的減小了各個電路間由于電流的疊加作用產生的相互干擾。但Z的偏置仍然是1mV左右。為了進一步改善電路Z的偏置仍然比較大的問題，改善的方法有如下幾種，例如，可以使用更粗的導線作為信號的返回線，或者X和Z的位置互換，使大功率電路Z更靠近電源的地。還有一種方法就是由于電路間的相互干擾已經消失，對于對地偏置確定的電路，我們可以采用補償的方法對其進行校正。
電路5實際上已經達到了電路2的目的，即所有電路的低端都回到單一的公共“地”點，避免在導線上共同形成電壓降。 每一條線都分開返回，地線電流不會混在一起。實際上，單一接地點可以是一塊真正的金屬塊，在公共點提供最低可能的電阻。 如果供電電源的壓降必須減小到最小，則電源“高”端導線也可按相似的方法接線。
公共線也可以是一條很粗的母線，只要線上的干擾滿足低電平的要求。這樣的母線對于數字電路也是合適的公共地線，最后數字公共“地”接到模擬的“地”以建立整個系統的公共“地”。
包含有多個電源和多個機箱的系統則需要考慮的更多一些。通常，不管電源是誰供給2所有的線匯到公共點2然后和系統得公共端接在一起，以便工作。如圖5，使所有+5V的負載都回到+5V的公共端（低端）， 所有+15V的負載都回到+15V的公共端（低端），最后用一條導線將公共端連在一起。在多電源系統中2可能需要進行判斷性試驗確定地線接法以達到最佳的解決方案。
[page]
2 單點接地應用實例
以一塊精度為萬分之一的數模轉換卡為例說明單點接地在實際工程中的應用方法。
在這塊數模轉換卡中，DA芯片使用的是BB公司的DAC7734，它是一款16位高速DAC，輸出范圍為-10V~+10V，數據采用串行輸入，每片內有4路模擬輸出，每路都有獨立的基,準電壓輸入端。共使用兩片DAC7734，對外共有8路模擬輸出。
電壓基準電路是使用National Semiconductor的LF442搭建的，可以進行微調，以保證輸出的精度。
由于板卡上有兩個DA芯片，所以在進行PCB設計時將每個DAC的周邊電路的模擬地通過導線直接連接到DAC的模擬地上，然后在兩個DAC中間通過一點與模擬部分的數字地連接。
根據以上研究的混合信號地平面分割以減小干擾的方法，得到如下實際布線圖如圖6所示。（圖中只畫出了一個DAC及其周圍電路的地的連接情況）。
每個器件（包括其周圍電容）的接地端分別用很粗的導線連接到AD或者是DA 的模擬地上，所有的地都在AD或者DA的下面與數字地一點連接。
圖6 實際布線
最后的調試結果表明：在使用了單點接地的地平面處理方法后，精度得到了很好的控制，達到了萬分之一，滿足了設計要求，而且非常穩定。
3 結束語
隨著工業現場對于A/D、D/A系統的需求越來越多，標準也越來越高，更高速度和精度的A/D、D/A系統的需求也在增大，而地平面的處理恰恰就是制約速度和精度不斷提升的瓶頸。本文研究的混合信號地平面處理方法已在多個工程中得到應用，并取得了很好的效果。
