简介
目前的信号处理系统一般需要混合信号器件，例如模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC) 和快速数字信号处理器(DSP)。由于需要处理宽动态范围的模拟信号，因此拥有高性能 ADC和DAC显得更加重要。在恶劣的数字环境内，能否保持宽动态范围和低噪声与采用 良好的高速电路设计技术密切相关，包括适当的信号路由、去耦和接地。 过去，一般认为“高精度、低速”电路与所谓的“高速”电路有所不同。对于ADC和 DAC，采样（或更新）频率一般用作区分速度标准。不过，以下两个示例显示，实际操作 中，目前大多数信号处理IC真正实现了“高速”，因此必须作为此类器件来对待，才能保 持高性能。DSP、ADC和DAC均是如此。 所有适合信号处理应用的采样ADC（内置采样保持电路的ADC）均采用具有快速上升和 下降时间（一般为数纳秒）的高速时钟工作，即使吞吐量看似较低也必须视为高速器件。 例如，中速12位逐次逼近型(SAR) ADC可采用10 MHz内部时钟工作，而采样速率仅为 500 kSPS。 Σ-Δ 型ADC具有高过采样比，因此还需要高速时钟。即使是高分辨率、所谓的“低频”Σ-Δ 工业测量ADC（吞吐速率10 Hz至7.5 kHz）也采用5 MHz或更高时钟工作，并且提供高 达24位的分辨率（例如ADI公司的AD77xx系列）。 更复杂的是，混合信号IC具有模拟和数字两种端口，因此如何使用适当的接地技术就更 加茫然。此外，某些混合信号IC具有相对较低的数字电流，而另一些具有高数字电流。 许多情况下，两种类型必须区分对待，才能实现最佳接地。 数字和模拟设计工程师倾向于从不同角度考察混合信号器件，本教程旨在确立适用于大多 数混合信号器件的一般接地原则，而不必了解内部电路的具体细节。
接地层和电源层
保持低阻抗大面积接地层对目前所有的模拟和数字电路都很重要。接地层不仅用作去耦高 频电流（源于快速数字逻辑）的低阻抗返回路径，还能将EMI/RFI辐射降至最低。由于接 地层的屏蔽作用，电路受外部EMI/RFI的影响也会降低。 接地层还允许使用传输线路技术（微带线或带状线）传输高速数字或模拟信号，此类技术 需要可控阻抗。 由于“母线(buss wire)”在大多数逻辑转换等效频率下具有阻抗，将其用作“地”完全不 能接受。例如，#22标准导线具有约20 nH/英寸的电感。由逻辑信号产生的压摆率为10 mA/ns 的瞬态电流，在此频率下流经1英寸该导线将形成200 mV的无用压降：
对于具有2 V峰峰值范围的信号，此压降会转化为约10%的误差（大约3.5位精度）。即 使在全数字电路中，该误差也会大幅降低逻辑噪声裕量。 图1为数字返回电流调制模拟返回电流的典型情况（顶图）。接地返回导线电感和电阻由 模拟和数字电路共享，这会造成相互影响，最终产生误差。一个可能的解决方案是让数字 返回电流路径直接流向GND REF，如底图所示。这就是“星型”或单点接地系统的基本 概念。在包含多个高频返回路径的系统中很难实现真正的单点接地，因为各返回电流导线 的物理长度将引入寄生电阻和电感，所以获得低阻抗高频接地就很困难。实际操作中，电 流回路必须由大面积接地层组成，以便实现高频电流下的低阻抗。如果无低阻抗接地层， 则几乎不可能避免上述共享阻抗，特别是在高频下。
所有集成电路接地引脚应直接焊接到低阻抗接地层，从而将串联电感和电阻降至最低。对 于高速器件，不推荐使用传统IC插槽。即使是“小尺寸”插槽，额外电感和电容也可能 引入无用的共享路径，从而破坏器件性能。如果插槽必须配合DIP封装使用，例如在制作 原型时，个别“引脚插槽”或“笼式插座”是可以接受的。以上引脚插槽提供封盖和无封 盖两种版本（AMP产品型号5-330808-3和5-330808-6）。由于使用弹簧加载金触点，确保 了IC引脚具有良好的电气和机械连接。不过，反复插拔可能降低其性能。
低频和高频去耦
每个电源在进入PC板时，应通过高质量电解电容去耦至低阻抗接地层。这样可以将电源 线路上的低频噪声降至最低。在每个独立的模拟级，各IC封装电源引脚需要更局部、仅 针对高频的滤波。 图2显示了此技术，图示左侧为正确实施方案，右侧为错误实施方案。左侧示例中，典型 的0.1 μF芯片陶瓷电容借助过孔直接连接到PCB背面的接地层，并通过第二个过孔连接 到IC的GND引脚上。相比之下，右侧的设置不太理想，给去耦电容的接地路径增加了额 外的PCB走线电感，使有效性降低。
双面和多层印刷电路板
系统内的每个PCB至少应有完整的一层专用于接地层。理想情况下，双面电路板的一面 应完全用于接地层，另一面用于互连。但在实际操作中，这不可能，因为必须去除部分接 地层，用于配置信号和电源跨越、过孔和通孔。尽管如此，还是应尽可能节约面积，至少 保留75%。完成初始布局后，请仔细检查接地层，确保没有隔离的接地“孤岛”，因为位 于接地“孤岛”内的IC接地引脚没有通向接地层的电流返回路径。另外应检查接地层的 相邻大面积间有无薄弱连接，否则可能大幅降低接地层有效性。毫无疑问，自动路由电路 板布局技术一般不适合混合信号电路板上的布局，因此强烈建议手动干预。 用表面贴装IC高密度集成的系统有大量互连，必须使用多层电路板。这样，至少一整层 可专用于接地。简单的4层电路板有内部接地和电源层，外面两层用于表面贴装元件的互 连。电源层和接地层彼此相邻可以提供额外的层间电容，有助于电源的高频去耦。大多数 系统中，4层也嫌不足，还需要其他层用于信号和电源的路由。
多卡混合信号系统 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，从而为 背板提供连续接地层。PCB连接器的引脚应至少有30至40%专用于接地，这些引脚应连 接到背板母板上的接地层。最后，实现整体系统接地方案有两种可能途径： 1. 背板接地层可通过多个点连接到机壳接地，从而扩散各种接地电流返回路径。该方 法通常称为“多点”接地系统，如图3所示。 2. 接地层可连接到单个系统“星型接地”点（一般位于电源）。 前一个方法最常用于全数字系统，不过，只要数字电路引起的接地电流足够低且扩散到 大面积上，也可用于混合信号系统。PC板、背板直到机壳都一直保持低接地阻抗。不过， 接地与金属板壳连接的部位必须具有良好的电气接触。这需要自攻金属板螺丝或“咬合” 垫圈。机壳材料使用阳极氧化铝时必须特别小心，此时机壳表面用作绝缘体。
分离模拟和数字接地层
在使用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。另外针对模拟和数字电路使用分离的接地层也很有利。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”（由连接器接 地引脚间的一连串有线互连构成），在背板上继续延伸。如图4所示，两层一直保持分离， 直至回到共同的系统“星型”接地，一般位于电源。接地层、电源和“星型”接地间的连 接应由多个总线条或宽铜织带构成，以便获得最小的电阻和电感。每个PCB上插入背对 背肖特基二极管，以防止插拔卡时两个接地系统间产生意外直流电压。此电压应小于300 mV，以免损坏同时与模拟和数字接地层相连的IC。推荐使用肖特基二极管，它具有低电 容和低正向压降。低电容可防止模拟与数字接地层间发生交流耦合。肖特基二极管在约 300 mV时开始导电，如果预期有高电流，可能需要数个并联的二极管。某些情况下，铁 氧体磁珠可替代肖特基二极管，但会引入直流接地环路，在高精度系统中会很麻烦。
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