關於混合式電路不分地

「混合式」指的是 Mixed Signal,其電路泛指包含類比(Analog)和數位(Digital)元件的電路。以下的討論僅包含低頻應用(100kHz 以下)。

舉凡混合式元件像類比/數位轉換 IC(ADC)、數位/類比轉換 IC(DAC)或感測器介面 IC,在規格書中電源管理的章節,總是少不了叮囑使用者要注意類比電源與數位電源的使用。例如 AD5320 這一顆 12 位元的 DAC 就這樣要求(已譯中):

AD5320 的應用電路應將類比電與數位電隔離,兩者必須有各自的電路板佈局區域。如果不可避免地要將類比地(AGND)與數位地(DGND)連接,其接點只能是單一接點,接點位置應靠近 AD5320。

乍看之下沒什麼問題。單一接點的做法意味者電路板上,類比與數位兩塊大面積的地是被切割開的,僅在一個小點連通,可避免類比訊號與數位訊號相互干擾,兩者的地準位也不致於相差太多。

不過,要是電路板上有很多混合式元件怎麼辦?假設有四顆 ADC,電路板的大地已經割開成兩個地平面,是每一顆 ADC 底下都做一個接點,共有四點?還是僅做一個接點?如果是後者,接點又該放在哪一個 ADC 附近?

那麼「單一接點」在複雜的混合式系統要怎麼去看待?從 Bruce Archambeault 關於電路板訊號路徑與其產生的「回流電流路徑」的結果中(下圖),高頻訊號(1MHz)在地平面上的回流路徑(主要是綠色區域)幾乎是沿著訊號線(沿著紅色線)走回去。以 1.6mm 厚的印刷電路板來說,在訊號線下方地平面上的回流電流,其分佈寬度大約是 ±3.6mm(占 70% 的總電流)。

pcb-grounding0.png

那麼多個混合式元件的系統,在類比與數位地平面上如果只有單一接點,其回流路徑肯定無法沿原訊號路徑走回去。甚至是單一混合式元件的系統,如果接點的位置不理想,上述情況也會發生。電流迴路一旦產生,不必要的輻射訊號便跑出來了(下圖)。

pcb-grounding1.png

從 Henry W. Ott 的〈Partitioning and Layout of a Mixed-Signal PCB〉的文章,他的建議是,在混合式系統當中,只要元件位置擺放妥當,其實也不需要分割類比地與數位地。當中最重要的概念,就是電流怎麼迴流。

電流定是有去有回,在系統設計的考量,我們習慣使用大面積的地平面做為其回流路徑。然而數位訊號因為存在暫態訊號,其電流強度高;類比訊號則相對安靜。若是類比與數位的回流電流碰在一起,便有無法預期的結果。例如以貫通孔(Plated via)接地的 ADC,一旦讓強度較高的數位回流電流通過,造成的量測誤差遠大於類比回流的結果。

這邊要注意的是,類比「地」與數位「地」不必分離,但類比「電」與電位「電」則需保持分離。不這麼做,高頻元件旁路電容(Bypass capacitor)的放電就直接感染較安靜的類比電源了。即使是採用 power plane 做為電源亦需小心。

另外一點,「電源」的回流路徑與高頻訊號不同,電源會找電阻最小的路徑跑,一般來說是地平面上的直線(一樣可見 Bruce Archambeault 的文章)。在這種情況下,一樣要避免高頻回流與電源回流相碰。而所謂的機構地(Chassis ground)或切割線都可以做為應對的手段。

pcb-grounding2.png

最後簡要總結:

  1. 混合式系統不見得要分地,沒分好反而反效果
  2. 數位與類比電源不可分,需劃分區域(上圖)
  3. 重要的是電流回流路徑,高低速的訊號切勿相碰

參考資料:

  • Bruce Archambeault – Resistive vs. Inductive Return Current Paths
  • Henry W. Ott – Partitioning and Layout of a Mixed-Signal PCB
  • Paul Brokaw – An IC Amplifier User’s Guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Go Right for a Change
  • Mark I. Montrose – Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance
廣告

發表迴響

在下方填入你的資料或按右方圖示以社群網站登入:

WordPress.com 標誌

您的留言將使用 WordPress.com 帳號。 登出 /  變更 )

Google+ photo

您的留言將使用 Google+ 帳號。 登出 /  變更 )

Twitter picture

您的留言將使用 Twitter 帳號。 登出 /  變更 )

Facebook照片

您的留言將使用 Facebook 帳號。 登出 /  變更 )

連結到 %s