《【2017年整理】AGNDvsDGND在PCB上的设计——从阻抗最低的角度理解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】AGNDvsDGND在PCB上的设计——从阻抗最低的角度理解（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、混合信号器件的PCB 地布局从阻抗最低的角度理解Successful PCB Grounding with Mixed-Signal Chips - Follow the Path of Least Impedance要点摘要芯片本身不会提供电流。只用板卡上的电源才是电流真正的提供者DC电流来自电源，AC 电流来自去耦电容电流环路的主要距离是芯片之间的互连线以及返回路径信号总是会在最小阻抗的路径上流动数字信号和模拟信号不要共享返回路径合理的器件布局，可以消除平面分割DC和低频信号走最短的直线距离（最低电阻路径）回流；高频信号选择最低阻抗路径回流，即信号线的正下方。频率介于之间的信号，回流路径均
2、存在关注回流路径，是解决干扰问题的根本简介板级设计者通常非常关心混合信号IC芯片（具有AGND和DGND管脚）接地的正确处理方式。这两种地是不是应该完全分隔？还是应该在某点将分割的地连接在一起以增强参考点的功能？当有多个这样的IC设备时，这个连接点又应该如何处理？这篇文章将讨论混合信号芯片在PCB上的接地方法。对于大多数应用，没有分割的单一平面就可以实现正确的功能。接下来，我们介绍如何布局芯片和走线以减小串扰问题。最后，我们考虑电源供电电流，并扩展到多个混合芯片的系统。从电流开始我们之所以将多个电子元件组成的东西称为“电路”，是因为电流从源端流到负载，然后通过返回路径返回源端组成一个回路。不论
3、是哪个方向，电流的流动都是基于让模拟电路正常工作。显然，数字电路也是模拟电路，可以看作是模拟电路的一个仅有两个状态的子集。图1显示了一种最简单的连接：两个芯片之间用一条直线最短连接。把这个看作理想世界的理想电路，IC1 的输出阻抗为 0而IC2的输入阻抗无穷大，因此这个连接之间将没有任何电流。然而实际上，电流将从IC1流向 IC2，或者相反。这个电流会是什么情况呢？实际上，两个芯片之间还必须存在另外一种连接信号，用于流向IC2（或者相反）的电流流回IC1 ，这个连接通常就是地信号。当然，芯片本身不会提供电流。只用板卡上的电源才是电流真正的提供者。简单起见，我们考虑使用单一电源，同时每个芯片有去
4、耦电容。所有的DC电流，最终的起始点和结束点，都在供电电源处。对于高频信号（所谓的“高”，取决于去耦电容和供电电源的阻抗），电流的起始点和结束点，都在去耦电容。同时我们也应该注意，输出管脚并不总是电流的流出的地方。比如IC1为输出低电平，此时内部的FET打开接地，电流从 IC2的上拉电阻流出，流入IC1的管脚，最后通过IC1的接地管脚流回 IC2的接地管脚。因此，虽然 IC1为驱动端，但是管脚却吸收电流，电流从IC2 的流出。如果上图的IC1 的输出管脚长时间处于低电平，则静态电流将直接由电源提供。截至目前为止，我们讨论的模型都很简单，习惯于将信号划分为低频信号和高频信号，就好比确实有一个分界
5、线一样。然而实际上，低频和高频总是同时存在的。比如figure6，在 IC1输出低的一开始，电流来自IC2的去耦电容，这是因为IC1 需要一个近乎瞬态变化的电流。我们一般放置去耦电容，非常靠近IC2的电源和地管脚，就是为了能看快速响应这种电流需求。电源不能提供这种瞬态需求是因为电源一般距离较远，因此供电电源和芯片管脚之间会存在电阻和电感（更重要）。这就是芯片附近放置去耦电容的重要原因：提供快速瞬态电流需求。瞬态过程结束后，越来越多的电流来自电源，而来自去耦电容的电流会越来越少。更简单的说法：DC电流来自电源，AC电流来自去耦电容。当然，实际过程是更复杂的。当我们考虑更复杂的情形，我们会发现实际
6、上电流是上述4种路径的组合。不论哪个方向，电流总是从源芯片的电源管脚，通过互连线到达另外一个芯片，然后从第二个芯片的地管脚流出。这个路径总是会发生的，不同的是，电流从地如何返回电源，这取决于信号的速率。DC信号来自电源，高频信号来自去耦电容。但实际上这两种情况总是同时发生的。即使是低频的信号，状态的转换的瞬时性与高频信号都差不多。当然，好的设计一般电源，去耦电容和芯片都距离很近。正确的去耦也会使设计更加简单。通常在考虑信号电流在PCB上的流动时，我们将去耦和芯片看做一个整体。最后，对于高速AC信号，去耦电容提供电流的路径很短，信号电流在芯片内部流过的路径也很短。电流环路的主要距离是芯片之间的互
7、连线以及返回路径。对于高速信号电流，这将是可能出问题的地方。数字和模拟的供电和地前面提到的电路，我们并没有区分模拟和数字。IC1可能是一种运算放大器，输出管脚连接IC2 （看作ADC）；或者IC1可能是一个控制器的 IO输出，连接IC2（看作DAC）。我们提到ADC和DAC，是因为这是一种常用的具有AGND和DGND的器件。模拟电路需要工作在光滑平顺的模式，电压和电流的微小变化都会影响结果。数字电路是两个状态，具有大的电压范围。如果这两个电压没有隔离，数字信号将影响模拟信号。低阻抗路径众所周知，信号总是会在最小电阻的路径上流动。不幸的是，这仅对直流信号有效。更精确的描述应该是：信号总是会在最小
8、阻抗的路径上流动。对于直流信号，阻抗只与电阻有关。众所周知，对于只有一个地平面的系统，两点之间的直线连接是电阻最小的路径。通过特定距离的电流量与距离成反比，因为单位长度的电阻值是一个固定的数值。因此，大部分电流将流过最小电阻的直线路径，偏离直线路径越远，流过的电流越少。简单来说，DC电流被表示为直线路径，理解为最大和最广的电流将沿直线传播。大部分信号还是AC信号，有一定的变化速度，我们考虑它的相关阻抗。对于PCB 上临近地平面的走线，其阻抗与线的类型，线宽，层间距，层间介质，信号速率等参数确定。这些内容本文不详细讨论。仍然考虑前面的简单例子，不同的是这次两个芯片间不再直线连接。假设每个芯片的地
9、连接管脚都有一个完整的地平面。返回路径将从一个芯片的一个地管脚到另外一个芯片的地管脚。由于地平面是统一的，对于DC电流最小阻抗的路径是两点间直线连接。高频信号，信号和地之间最小互感的路径是信号线下方的部分。但是，什么算高频？一般而言超过几百kHz的信号就算了。但实际的频率是很多条件决定的。这个现象的数学处理很复杂，但有一个仿真结果对于我们更直观。总体而言，前向信号的路径约束在走线内，返回信号的路径会出现 在整个地平面。Figure10 为 1kHz信号，大部分返回电流基本上直接从源端到负载端，窄黄色。很小部分返回电流跟随信号路径（浅蓝色），更小部分返回电流在两个路径之间（深蓝色）。Figure
10、11为50kHz 信号。大部分返回电流跟随信号路径（绿色），更少的一部分直接从源端到负载端（暗绿色）。两条回路中间是浅蓝而不是深蓝，说明最小的电流分布。Figure12 为 1MHz信号。几乎所有的返回电流都在信号路径下方。正如人们所料，返回电流会散步在更广的空间。公式给出返回电流的分布密度。分布密度与频率无关，并且呈高斯分布：在x=-hh的范围内，分布了50%以上的电流。在-3h3h范围内，分布了80%的电流。板卡层间距越小，电流分布的越密集。去耦电容很重要正如之前所示，任何电路的电流流动都包含电源和去耦电容两部分。在前面那个简单例子基础上增加去耦电容，IC1为sourcing ，地平面在器
11、件背面，正面有电源分布和信号走线。信号电流由虚线表示。DC电流返回路径为最短的；AC电流路径在紧挨着信号。更深入的讨论介于DC和高频信号之间的信号。一部分电流来自电源，因此返回路径大部分仍然沿着信号路径，但是范围更宽。返回信号到达IC，一部分电流到去耦电容，一部分要回到电源。最后随着频率越来越低，互感会越来越小，更多电流通过DC路径返回。根据上述原理，需要处理电源和去耦电容的问题。电源的阻抗变高（距离变远，布线变窄），就需要更多的去耦电容来提供电流。因此IC附近的去耦电容是必须要做到位的。地平面并不是等电位的理解地平面不是等电位的这点非常重要。首先，地平面肯定有电阻存在。因此当模拟信号和数字信
12、号返回电流共享一段路径时，由于电阻存在造成电压跌落进而产生串扰【注：也就是要求数字信号和模拟信号的回流，不要相互干扰】。比如A和B两个器件，他们的地管脚挨的很近，并且电流返回路径来自板卡的另外一侧。假设地平面电阻0.01，A器件驱动1A电流，B器件驱动1uA电流。在器件这一侧的地电压将比返回电流一侧的电压高10mV 。因为返回路径基本上是共用的，所以即使B驱动电流很小，他也要接受这10mV 的地平面电平提升。A器件的驱动电流在1A和0A之间变化，那么 B器件将要接受参考电压10mV的变化。当数字信号和模拟信号共用返回路径时，就会出现问题。干扰将影响模拟电路的精确程度。另外一个影响地平面不等电位
13、的因素是信号长度。一个更高频率的信号，信号路径的长度和信号在板卡上传播的波长强相关。本文不重点讨论，但结论是连线越短越好。综合上面所有 理解了上面电流的基本原理，我们开始讨论混合IC器件。最终要保证的是：数字信号和模拟信号不要共享返回路径。现在，应该理解了尽量减少数字和模拟返回路径耦合的重要性。实际上，这也是我们的目标。如果能够实现这个目标，数字信号对模拟信号的干扰，也就解决了。一个通常的概念是，划分数字区域地和模拟区域地。这是个好的开始。你同时将看到，如果处理的好，在性能保持不变的情况下，我们可以填充这个分隔线。现在，开始切割地平面使用ADC器件（既有模拟信号又有数字信号）作为分析的开始，然
14、后讨论从哪个地方开始切割地平面。Figure16 示意了一个 ADC器件，只有电源和地管脚被明显标注，其他管脚仅为标注为模拟信号或者数字信号，没指名具体功能。注意数字信号和模拟信号邻近，模拟地管脚和数字地管脚邻近。这是很正常的，因为芯片设计工程师必须考虑在板卡上的同样实现。同时注意有2个数字地管脚，这是为了保证该器件的返回电流当从该器件流向其他器件时，不会出现问题。由于数字管脚和模拟管脚被分隔了明显的2组，很容易进行地平面分隔。Figure 17 示意了地的分割，最终在数字地和模拟地之间留了一段连接在一起。划分后，其他数字器件放在分隔线一侧，模拟器件放在另外一侧。注意该分割基于板卡上仅有这一个
15、混合信号器件。下面考虑布线。信号走线开始考虑一种情况，数字信号走线，跨越两次分隔线。很明显这样不好，会污染模拟信号。从信号返回路径考虑一下。大部分设计者都知道这样走线是非常不好的。我们现在从AC信号的回流路径来进一步分析。返回路径应该在信号路径下方，当遇到分隔线时将绕到单点接地的地方。因此，我们不仅会有数字返回电流流经模拟区，同时我们还创造了环路天线辐射信号。因此为保证切割的地能正常工作，我们要保证数字和模拟器件分别在两个区域，对应的布线也要在相同区域。正确的布置如figure 20仔细观察一下figure20，没有电流想跨过分割线。因此，这个分割将没有意义，因此可以取消。电源考虑因为没有电流
16、流过分隔线，我们已经决定取消地平面的分隔线。但我们仍然需要考虑电源连接。如果模拟部分和数字部分供电源来自一个，电源返回路径必须位于分割线的一侧。因此DC返回电流将从单点接地处进行回流。这将导致回流路径增大，电阻增大，电压下降明显。这样的布局对于ADC吸收电流来说没有问题，因为返回电流从地管脚流出，而地管脚又都在这个分隔点上。但如果对于其他模拟器件的返回电流将是问题，因为所有返回路径都要绕道这个分割点。去掉分隔线如果去掉分隔线，所有模拟器件的回流都是直接的，具有最小电阻和最低电压变化。同样的考虑可扩展到多个电源。将多个电源的返回路径都考虑到就可以了。【注，这仅限于电源位于分隔线的位置，如果电源必须位于板卡的上边沿或者下边沿，那么势必有DC电流跨区域回流，造成不利影响。因此这种情形需要增加分隔线】多个混合器件的地平面挑战当有多个混合器件时，地平面的划分问题变得更明显。如果有2个混合器件，还和上面一样分割，将不能获得单点接地。为了获得单点接地
