高频数字接地返回电流需要直接返回信号走线下方。这是最低阻抗(最低电感)路径。数字地电流不希望流过地平面的模拟部分并破坏模拟信号。那么为什么我们需要分割地面以防止数字电流做一些它不想做的事情呢?因此,我更喜欢使用一个地平面和分割的方法来将PCB平面分为数字和模拟布局部分。然后,模拟信号只能在电路板的模拟部分(任何层)上进行布局,而数字信号只能在电路板的数字部分(任何层)上进行布局。造成问题的原因是数字信号在电路板的模拟部分布局,反之亦然。
一个有单一地平面的PCB ,其中包含模拟和数字部分,通过设计信号的规则可以解决布局困难的问题,而不会产生由分割的地平面引起的额外干扰问题。如果布局正确,数字接地电流将保留在电路板的数字部分,不会干扰模拟信号。但是,必须仔细检查布局,以确保完全符合上述布局要求。因此,成功的混合信号PCB布局的关键是适当的分区和布线规则,而不是地平面的分割。
许多A/ D转换器制造商在建议使用分离式接地层时,在其数据手册或应用笔记中说明如下:“AGND和DGND引脚必须在外部连接到同一低阻抗接地层,且引线长度最短。 DGND连接中的任何额外外部阻抗都会通过IC内部的杂散电容将更多数字噪声耦合到模拟电路中。他们的建议是将A / D转换器的AGND和DGND引脚连接到模拟地平面。这种方法有可能产生许多其他问题。你能列出一些这些问题吗?你将数字电源去耦电容的接地端连接到什么位置?模拟平面还是数字平面?等等问题。
有一种更好的方法是满足通过低阻抗将AGND和DGND引脚连接在一起的要求,而不是在工艺中产生额外的问题,这种方法就是只使用一个接地层。
确定最佳电路板布局的关键是在于思考,但是怎么知道返回电流以及在何处流动?
如果您仍然对在混合信号板上使用单个接地层持怀疑态度,我建议您进行以下实验。使用分离的接地平面布局电路板,但在两个平面连接处要使用跳线或者零欧姆电阻进行单点接地。正确布线电路板,模拟平面上没有数字走线(在任何层上),数字平面上没有模拟走线(在任何层上)。构建电路板并测试其功能和EMC性能。将这些平面连接在一起并再次测试该板的功能和EMC性能。我认为您会发现,在几乎所有情况下,单个地平面的电路板的功能和EMC性能都会更好。
系统只有一个参考平面很多情况下是很好的。
模拟地平面噪声电压应保持小于所关注的最小模拟信号电平。在A / D(或D / A)转换器的情况下,最小可分辨信号电压电平[最低有效位(LSB)]是A/ D转换器的位数和满量程参考电压的函数。 参考电压越小,位数越大,最小可分辨信号电压越小。下表显示了使用1 V基准电压源的A / D转换器的分辨率与位数的关系。通过将分辨率乘以适当的因子,可以针对其他参考电压缩放这些分辨率水平。例如,如果转换器使用5伏参考,则将表中的分辨率数乘以5。
使用适当分区和布线的单个实心接地平面(如上所述)通常适用于大多数低至中等分辨率的A / D转换器(8,10或12位)。对于更高分辨率的系统(14位及更高),可能需要更多的接地噪声电压隔离才能获得足够的性能。这些转换器的分辨率电压为几十微伏或更低。在这种情况下,您可能希望将电路板划分为单独的隔离模拟和数字接地平面区域,每个区域稳定地连接到每个A / D转换器下方的数字地平面,如图所示。这种方法将为高分辨率A / D转换器提供额外的接地噪声隔离,同时仍为系统保持单个接地层。
请注意,即使在这种情况下,地平面也不会分开 - 它们都连接在一起。还要记住的是,在任何层上都不好有走线跨过地平面中的隔离槽。