混合信号接地详解

大多数 ADC、DAC 和其他混合信号器件数据手册是针对单个 PCB 讨论接地，通常是制造商自己的评估板。将这些原理应用于多卡或多 ADC/DAC 系统时，就会让人感觉困惑茫然。通常建议将 PCB 接地层分为模拟层和数字层。另外建议将转换器的 AGND 和 DGND 引脚连接在一起，并且在同一点连接模拟接地层和数字接地层。

所有高噪声数字电流通过数字电源流入数字接地层，再返回数字电源 ;与电路板敏感的模拟部分隔离开。系统星型接地结构出现在混合信号器件中模拟和数字接地层连接在一起的位置。该方法一般用于具有单个 PCB 和单个 ADC/DAC 的简单系统，通常不适合多卡混合信号系统。在不同 PCB(或适用情况的相同 PCB 上)上具有数个 ADC 或 DAC 的系统中，模拟和数字接地层在数个点连接，使得建立接地环路成为可能，而单点“星型”接地系统 则不可能。鉴于以上原因，此接地方法不适用于多卡系统，上述方法应当用于具有低数字电流的混合信号 IC。

01一、接地设计挑战与策略1.1 ❒ 接地问题的复杂性

接地问题在系统设计中一直被视为一项巨大的挑战。尽管其基本概念并不复杂，但在实际操作中却往往变得异常复杂。遗憾的是，至今仍缺乏一种能够简洁明了地描述接地设计详细步骤的方法，以确保其效果达到预期。然而，若在接地设计的某些关键细节上处理不当，就可能会引发一系列令人头疼的问题。

1.2 ❒ 信号基准与发展影响

在系统设计中，“地”作为信号的基准点发挥着至关重要的作用。然而，在单极性电源系统中，它同时扮演着电源电流回路的角色。若接地策略运用不当，高精度线性系统的性能可能会遭受严重影响。

在模拟电路设计中，接地问题至关重要，同样，在基于PCB的电路中，合理的接地策略也显得尤为重要。高质量的接地不仅关系到混合信号PCB设计的整体布局，还对信号处理系统的性能产生直接影响。当前，信号处理系统普遍采用混合信号器件，如模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)以及高速数字信号处理器(DSP)。这些器件在处理宽动态范围的模拟信号时，需要高性能的ADC和DAC来支持。在复杂的数字环境中，保持信号的宽动态范围和低噪声特性，离不开精心的高速电路设计技术，其中就包括合理的信号布线、去耦以及接地设计。

1.3 ❒ 星型接地概念及挑战

"星型"接地，这一概念源自于电路中存在一个被视为所有电压参考的共同点，被命名为“星型接地”点。这一理论可以通过一个生动的比喻来阐释：想象多条导线从同一接地点如辐射状展开，恰似一颗璀璨的星。虽然在实际中，星型点可能并不呈现为具体的星形图案——它可能只是接地层上的一个点，但重要的是要理解，在星型接地系统中，所有电压的测量都是相对于接地网上的特定点进行的，而非一个不确定的“地”或随意放置的探头位置。

尽管星型接地理论在理论上显得合理，但在实际实施时却面临诸多挑战。以一个系统为例，倘若采用星型接地设计，并且确保所有信号路径都经过精心绘制，以最小化信号间的干扰并尽量避免高阻抗信号或接地路径的影响，那么在实际操作中仍会遇到问题。当在电路图中加入电源时，电源可能会增加不良的接地路径，或者流入现有接地路径的电源电流过大和/或带有高噪声，这些都可能干扰信号传输。为了避免这类问题，通常需要为电路的不同部分提供单独的电源，从而形成独立的接地回路。在混合信号应用中，这一点尤为重要，需要将模拟电源与数字电源分开，同时确保在星型点处相连的模拟地和数字地得到妥善分离。

02二、模拟地与数字地的隔离

在实际应用中，数字电路因逻辑切换而产生的噪声问题不容忽视。例如，饱和逻辑电路(如TTL和CMOS)在转换过程中会短暂地从电源吸收大量电流。然而，由于其逻辑级抗扰度通常高达数百毫伏以上，因此对电源去耦的需求并不迫切。相比之下，模拟电路对噪声极为敏感，包括电源轨和接地轨上的任何干扰。因此，为了确保数字噪声不会干扰模拟性能，必须将模拟电路与数字电路严格分开。这种分离不仅涉及接地回路的分隔，还包括电源网络的独立设计，对混合信号系统而言无疑增加了设计的复杂性。

数字和模拟设计工程师在考察混合信号器件时，往往会从各自的专业角度出发。本文旨在为大多数混合信号器件提供一般性的接地原则，无需深入探讨内部电路的细节。值得注意的是，接地问题并非一本手册所能完全涵盖。尽管我们无法提供一份确保接地成功的技术清单，但我们可以指出一些可能导致问题的疏忽。不同频率范围内的有效方法可能并不相同，同时还需要考虑多种相互冲突的要求。处理接地问题的核心在于深入理解电流的流动路径和方式。

为确保这种电流保持最小，可以采取一系列措施，其中之一是在ADC输出端使用低输入电流缓冲器，例如CMOS缓冲器-寄存器IC，从而最大程度地减小输出负载并降低数字电流。只要保持低阻抗的模拟地，就能确保模拟性能的稳定，这样，外部数字地电流所带来的额外噪声就不再是问题。

011. 混合电路接地概述在电子产品的设计开发过程中，我们常常需要面对交流电与直流电混合电路的挑战，同时还要考虑模拟电路与数字电路的综合设计。本文将深入探讨 混合电路设计中的地线及其作用。GND，作为电线接地端的简写，在电路图和电路板上代表着地线或零线。它不仅是一个公共端点，更是一个电源的负极。尽管它与大地有所区别，但在某些情况下，我们可能需要将其与大地相连，而在其他情况下则无需这样做，这完全取决于具体的设计需求。

信号接地，通常是以设备中的某一点或金属块作为信号的参考点，它为设备内的所有信号提供了一个统一的电位基准。接地方式包括单点接地、多点接地、浮地和混合接地。

022. 接地方式详解2.1 【 浮地应用 】

浮地是一种特殊的接地方式，其中电路的地与大地之间没有直接的导体连接。它可以使功率地和信号地之间的隔离电阻变得很大，从而有效地阻止了共地阻抗产生的电磁干扰。然而，浮地电路也容易受到寄生电容的影响，这可能导致地电位的波动和对模拟电路的感应干扰。

2.1.1 【 交流与直流分开 】

通常，交流电源的零线是接地的。但接地电阻和流过的电流会导致零线电位偏离大地的零电位。此外，交流电源的零线上常存在各种干扰。若 交流电源地与直流电源地不作分隔，这些干扰将影响直流电源和后续直流电路的正常运作。因此，通过采用浮地技术将交流电源地与直流电源地分开，可以有效隔离来自交流电源地线的干扰。

2.1.2 【 放大器应用 】

对于放大器，特别是处理微小输入信号和高增益的放大器，输入端微小的干扰信号都可能造成工作异常。 浮地技术应用于放大器，能够阻断干扰信号的侵入，从而提升放大器的电磁兼容性。

2.1.3 【 浮地注意事项 】

在使用浮地技术时，必须确保浮地电路与大地之间的寄生电容足够小，以防止地电位波动和对模拟电路的感应干扰。同时，还需要在浮地与公共地之间跨接一个阻值适当大的泄放电阻，以释放积累的电荷，并注意控制泄放电阻的阻抗，以免影响设备的泄漏电流合格性。

提高浮地系统对地绝缘电阻，有助于减少共模干扰电流进入浮地系统。

需关注浮地系统对地寄生电容，以防高频干扰信号通过寄生电容耦合至浮地系统。

浮地技术应与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术协同使用，以实现更佳效果。

采用浮地技术时，务必防范静电和电压反击对设备和人员的潜在危害。

2.2 【 混合接地技术 】

混合接地使接地系统在低频和高频时展现出不同的特性，这在处理 宽带敏感电路时至关重要。由于电容对低频和直流信号具有高阻抗，它能够有效防止两模块之间地环路的形成。在将直流地与射频地分离的情况下，每个子系统的直流地都通过一个10至100nF的电容器与射频地相连，并且这两种地线在一点处以低阻抗连接，该连接点应位于存在最高翻转速度(di/dt)信号的位置。

混合接地

混合接地通过结合使用单点接地和多点接地策略来达到最优效果。在大功率与小功率电路混合的系统中，需格外谨慎，避免因大功率电路的地线电流干扰到小功率电路的正常运行。同时，为确保系统稳定性，最敏感的电路应置于A点，此处电位最为稳定。为应对这一问题，可采取并联单点接地的方式进行处理。需注意的是，并联单点接地会涉及较多导线，但在实际操作中，可通过串联与并联的混合方式来实现更为灵活的接地策略。

将电路根据其特性进行合理分组，将不易相互干扰的电路归入同一组，而易相互干扰的电路则分置不同组。在每组内部，采用串联单点接地方式，以构建最简明的地线结构;而不同组间的接地则选择并联单点接地，以有效减少相互间的干扰。需特别留意的是，绝不可让功率差异悬殊或噪声电平大相径庭的电路共用同一地线。

这些不同的地线只能在一个共同接地点连接起来。

为了降低地线电感，高频电路和数字电路中常采用多点接地方式。在这种系统中，每个电路都就近连接到低阻抗的地线面，例如机箱。为了减小电感，电路的接地线应尽可能短。在极高频率的系统中，接地线的长度通常需控制在几毫米以内。

然而，多点接地可能引发公共阻抗耦合问题。在低频环境下，单点接地是解决此问题的有效方法。但在高频环境中，解决该问题则需通过减小地线阻抗来实现。由于趋肤效应的影响，电流仅在导体表面流动，因此单纯增加导体厚度并不能降低其电阻。不过，通过在导体表面镀银可以有效地降低电阻。

通常情况下，在1MHz以下的频率，单点接地是适用的;而在10MHz以上的频率，则宜采用多点接地。若在1MHz至10MHz之间的频率范围内，且最长的接地线不超过波长的1/20，单点接地仍可适用;否则，应采用多点接地方式。

接地电容的容量选择通常取决于需要接地的频率，其范围通常在10nF以下。当地环路电流干扰成为一个问题时，可以通过将设备的安全地断开来切断地环路，从而解决干扰问题。然而，出于安全考虑，机箱必须接到安全地上。为了平衡这一需求，所展示的接地系统设计巧妙，它允许在高频地环路电流下断开地线，同时确保50Hz交流电的机箱能够可靠接地。