詢問應用工程師：接地（再次）

問：我讀過你們的數(shù)據(jù)手冊和應用筆記，也參加了你們的研討會，但我仍然對如何處理ADC上的模擬（AGND）和數(shù)字（DGND）接地引腳感到困惑。數(shù)據(jù)手冊通常說要在器件上將模擬和數(shù)字地連接在一起，但我不希望ADC成為系統(tǒng)的星形接地點。我該怎么辦？

A.首先，不要因為您對如何處理模擬和數(shù)字接地感到困惑而感到難過。很多人也是如此！大部分混淆首先來自ADC接地引腳的標記。引腳名稱 AGND 和 DGND 是指組件本身內(nèi)部發(fā)生的情況，并不一定意味著您應該在外部使用它們。讓我解釋一下。

在同時具有模擬和數(shù)字電路的IC內(nèi)部，例如ADC，接地通常保持獨立，以避免將數(shù)字信號耦合到模擬電路中。該圖顯示了ADC的簡單模型。對于將芯片上的焊盤連接到封裝引腳相關(guān)的引線焊電感和電阻，IC設計人員實際上無能為力。快速變化的數(shù)字電流在B點產(chǎn)生電壓，該電壓將不可避免地通過雜散電容耦合到模擬電路的A點。盡管如此，IC設計人員的工作還是使芯片工作。但是，您可以看到，為了防止進一步耦合，AGND和DGND引腳應在外部連接在一起，以最小的引線長度連接到相同的低阻抗接地層。DGND連接中的任何額外外部阻抗都會導致B點產(chǎn)生更多的數(shù)字噪聲;反過來，它將通過雜散電容將更多的數(shù)字噪聲耦合到模擬電路中。雖然這是一個非常簡單的模型，但這有助于說明這一點。

Q. 好的，您告訴我將IC的AGND和DGND引腳連接到同一接地層 - 但我在系統(tǒng)中維護單獨的模擬和數(shù)字接地層。我希望它們只在一個點上連接在一起：電源返回全部連接在一起并連接到機箱接地的公共點。現(xiàn)在我該怎么辦？

A.如果您的系統(tǒng)中只有一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，您實際上可以按照數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)定進行操作，并在轉(zhuǎn)換器上將模擬和數(shù)字接地系統(tǒng)連接在一起。您的系統(tǒng)星形接地點現(xiàn)在位于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器上。但這可能是非常不可取的，除非您最初在規(guī)劃系統(tǒng)時考慮到了這個想法。如果將多個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器位于不同的PCB上，則概念就會崩潰，因為模擬和數(shù)字接地系統(tǒng)在多個PCB上的每個轉(zhuǎn)換器上連接在一起。這是對地面循環(huán)的完美邀請！

問：我想我已經(jīng)想通了！如果我必須在器件上將AGND和DGND引腳連接在一起，并且我想保持單獨的系統(tǒng)模擬和數(shù)字接地，我將AGND和DGND連接到PCB上的模擬接地層或數(shù)字接地層，但不能同時連接兩者。右？現(xiàn)在，既然ADC既是模擬器件又是數(shù)字器件，那么應該選擇哪一個？

答：正確！現(xiàn)在，如果將AGND和DGND引腳都連接到數(shù)字接地層，則模擬輸入信號將產(chǎn)生數(shù)字噪聲總和，因為它可能是單端的，并以模擬接地層為基準。

Q. 所以正確的答案是將AGND和DGND引腳都連接到模擬接地層？但是，這不會在我安靜的模擬接地層上注入數(shù)字噪聲嗎？輸出邏輯的噪聲容限是否降低了，因為它現(xiàn)在以模擬接地層為基準，而所有其他邏輯都以數(shù)字接地層為基準？我計劃將ADC輸出運行到背板三態(tài)數(shù)據(jù)總線，這開始時會非常嘈雜，所以我認為我需要我能得到的所有噪聲容限。

A.好吧，從來沒有人說生活是輕松或公平的！通過崎嶇不平的道路，您得出了正確的結(jié)論，但是您提出的問題 - 模擬接地層上的數(shù)字噪聲和ADC輸出上的噪聲容限降低 - 實際上并不像看起來那么糟糕;它們是可以克服的。讓幾百毫伏的電壓損壞數(shù)字接口顯然比將相同的損壞信號施加到模擬輸入端要好，因為16位、10 V輸入范圍ADC的最低有效位僅為150 μV！首先，DGND引腳上的數(shù)字接地電流不可能真的那么糟糕，否則它們首先會降低ADC的內(nèi)部模擬部分！如果將ADC的電源引腳旁路到模擬接地層，使用高質(zhì)量的高頻陶瓷電容來產(chǎn)生高頻噪聲（例如0.1 μF），則將這些電流隔離到IC周圍的非常小的區(qū)域，并且它們對系統(tǒng)其余部分的影響很小。

數(shù)字噪聲容限會有所降低，但如果小于幾百毫伏左右，則通常可以使用TTL或CMOS邏輯。如果您的ADC具有單端ECL輸出，則可能需要在每個數(shù)字輸出上放置一個推挽門，即同時具有真輸出和互補輸出的推挽門。將該柵極封裝的接地連接到模擬接地層，并在接口上差分連接邏輯信號。使用另一端的差分線路接收器，該接收器接地至數(shù)字接地層。模擬和數(shù)字接地層之間的噪聲現(xiàn)在是共模的，其中大部分將在差分線路接收器的輸出端被抑制。您可以對TTL或CMOS使用相同的技術(shù)，但通常有足夠的噪聲容限，不需要差分傳輸技術(shù)。

但是，你說的一件事讓我非常困擾。通常，將ADC輸出直接連接到噪聲數(shù)據(jù)總線是不明智的?？偩€噪聲可能通過雜散內(nèi)部電容耦合回ADC模擬輸入，范圍為0.1至0.5 pF。最好將ADC輸出直接連接到靠近ADC的中間緩沖鎖存器。緩沖鎖存器接地至數(shù)字接地層，因此其輸出邏輯電平現(xiàn)在與系統(tǒng)其余部分的輸出邏輯電平兼容。

問：我想我現(xiàn)在明白了，但是你為什么不一開始就調(diào)用ADC AGND的所有接地引腳;然后這些一開始就不會出現(xiàn)？

答：也許吧。但是，如果進貨檢查人員在這些引腳之間連接歐姆表，并發(fā)現(xiàn)它們實際上并未在封裝內(nèi)連接在一起怎么辦？整個批次可能會被拒絕 - IC可能會被吹！此外，ADC數(shù)據(jù)手冊有一個傳統(tǒng)，即我們必須標記引腳以指示其真實功能，而不是我們希望它們是什么。

問奧克現(xiàn)在，這里有一個我一直保存為您的終極測試的問題！我有一位同事設計了一個具有獨立模擬和數(shù)字接地系統(tǒng)的系統(tǒng)。我的同事說，ADC的AGND引腳連接到模擬接地層，DGND引腳連接到數(shù)字接地層，系統(tǒng)工作正常！你怎么解釋這一點？

A.首先，僅僅因為不推薦練習并不一定意味著您在某些時候無法逃脫它，從而陷入一種虛假的安全感。（這是墨菲定律中鮮為人知的定律之一）。有些ADC對AGND和DGND引腳之間的外部噪聲不太敏感，可能是您的同事不小心選擇了其中一個?？赡苓€有其他解釋 - 這需要我們探討您的同事對“工作正?！钡亩x - 但關(guān)鍵是制造商在這些工作條件下不能保證ADC的規(guī)格。對于像ADC這樣的復雜組件，不可能在所有可能的工作條件下測試器件，尤其是那些一開始不推薦的工作環(huán)境！你的朋友這次很幸運，但你可以肯定，如果這種做法在未來的系統(tǒng)設計中繼續(xù)下去，墨菲定律最終會趕上他（或她）。

問：我想我現(xiàn)在理解ADC接地原理，但是DAC呢？

A.同樣的理念也適用。DAC的AGND和DGND引腳應連接在一起并連接到模擬接地層。如果DAC沒有輸入鎖存器，則驅(qū)動DAC的寄存器應以模擬接地層為基準并接地，以防止數(shù)字噪聲耦合到模擬輸出。

問：包含ADC、DAC和DSP的混合信號芯片（如ADSP-21msp5O語音帶處理器）怎么樣？

一個。同樣的理念也適用。您永遠不應該認為復雜的混合信號芯片（如ADSP-21msp50）只是一個數(shù)字芯片！應該應用我們剛剛討論的相同準則。盡管16位Σ-Δ型ADC和DAC的有效采樣速率僅為8 ksps，但轉(zhuǎn)換器的工作過采樣頻率為1 MHz。該器件需要一個外部 13MHz 時鐘，并通過鎖相環(huán)從中生成一個內(nèi)部 52MHz 處理器時鐘。所以你看，成功應用這個器件需要了解精密和高速電路的設計技術(shù)。

Q. 這些設備的模擬和數(shù)字電源要求如何？我應該購買單獨的模擬和數(shù)字電源還是使用相同的電源？

A.這實際上取決于您的數(shù)字電源上的噪聲量。例如，ADSP-21msp50具有用于+5 V模擬電源和+5 V數(shù)字電源的獨立引腳。如果您有一個相對安靜的數(shù)字電源，您可能也可以將其用于模擬電源。確保使用一個 0.1μF 陶瓷電容器對器件上的每個電源引腳進行正確去耦。切記去耦至模擬接地層，而不是數(shù)字接地層！您可能還需要使用鐵氧體磁珠進行進一步隔離。下圖顯示了正確的排列。更安全的解決方案是使用單獨的+5 V模擬電源。如果可以承受額外的功耗，則可以使用三端穩(wěn)壓器從安靜的+5 V或+15 V電源產(chǎn)生+12 V電壓。

審核編輯：郭婷