AGNDvsDGND在PCB上的设计——从阻抗最低的角度理解.docx

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