介紹

板級設(shè)計(jì)人員通常擔(dān)心處理集成電路 （IC） 接地的正確方法，集成電路具有獨(dú)立的模擬和數(shù)字接地。兩者應(yīng)該完全分開，永遠(yuǎn)不接觸嗎？他們是否應(yīng)該在單個(gè)點(diǎn)上連接接地層上的切口以強(qiáng)制執(zhí)行該單點(diǎn)或“麥加”接地？當(dāng)有多個(gè)IC需要模擬和數(shù)字接地時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)麥加接地？

本教程討論混合信號設(shè)計(jì)的正確印刷電路板（PCB）接地。對于大多數(shù)應(yīng)用，無需在接地層上切割的簡單方法就可以使用這種IC成功進(jìn)行PCB布局。接下來，我們將學(xué)習(xí)如何放置元件和布線信號走線，以最大程度地減少串?dāng)_問題。最后，我們繼續(xù)考慮電源電流，最后討論如何將我們學(xué)到的知識擴(kuò)展到具有多個(gè)混合信號IC的電路。

跟隨當(dāng)前

請記住，我們將連接的電氣或電子元件的集合稱為“電路”，因?yàn)殡娏骺偸菑脑戳鞯截?fù)載，然后通過返回路徑（某種循環(huán)）返回。記住電流的流動(dòng)位置，無論是在預(yù)期完成所需工作的方向上還是在產(chǎn)生的返回電流上，對于使任何模擬電路正常工作都至關(guān)重要。而且，是的，所有數(shù)字電路都是模擬電路;它們是我們只為兩個(gè)狀態(tài)賦予意義的子集。晶體管和其他組件以及電路內(nèi)的電流和電壓仍然遵循與其他模擬電路相同的物理原理工作。它們將以與任何其他電路相同的方式感應(yīng)回流。

圖1.簡單連接是從 IC 到另一個(gè) IC 的直接連接。

圖1顯示了設(shè)計(jì)中最簡單的連接：從一個(gè)芯片到另一個(gè)芯片的直接連接。作為理想世界中的理想電路1，IC1的輸出阻抗為零，IC2的輸入阻抗為無窮大。因此，不會(huì)有電流流動(dòng)。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，電流將從IC1流入IC2，或者相反。這個(gè)電流會(huì)發(fā)生什么變化？它只是填滿IC2還是IC1？這是一個(gè)滑稽的反問。

實(shí)際上，IC1和IC2之間必須有另一個(gè)連接，以允許從IC2流入IC1的電流返回IC1，反之亦然。這種連接通常是接地的，通常不會(huì)在原理圖的數(shù)字部分中注明（圖 1）。它最多通過使用地面符號來暗示，如圖2A所示。圖2B顯示了電流的完整電路。

圖2.圖1所示的簡單電路，接地隱含（2A），接地電流路徑（2B）。

當(dāng)然，IC本身并不是電流源。電路的電源是。為了簡單起見，我們假設(shè)單個(gè)電源軌，并將電源視為電池。為了完成，我們用電容器旁路IC供電。

所有直流電流最終在電源處開始和結(jié)束。圖3顯示了IC1提供所示電流時(shí)直流電流的完整電路。

圖3.IC1 提供直流電流。

對于高頻信號（“高”主要由旁路電容和電源阻抗決定），電流以旁路電容開始和結(jié)束。圖4顯示了高頻信號電流。

圖4.IC1提供高頻信號電流。

重要的是要記住，輸出并不總是電流源。例如，考慮IC1的輸出連接到IC2的輸入，IC<>具有上拉電阻至V。DD.圖5顯示了這種情況下的瞬態(tài)（高頻）電流，電流從C2通過IC2中的上拉電路到達(dá)IC1中的低側(cè)FET，后者導(dǎo)通，然后通過IC1的接地引線到達(dá)C2的接地引線。雖然IC1是“驅(qū)動(dòng)”器件，通過FET將其短接至地來吸收其輸出引腳上的電流，但電流源從C2到IC2。

圖5.IC2提供高頻電流。

如果圖1中IC5的輸出引腳長時(shí)間保持低電平，則消耗的靜態(tài)電流將直接來自電源（圖6）。

圖6.IC2 提供直流電流。

到目前為止，在我們討論基礎(chǔ)知識時(shí)，該模型有些簡單化。我們方便地將信號分為低頻和高頻，就好像兩者之間有一個(gè)明確的邊界。事實(shí)是，兩條路徑總是涉及的。在圖6中，在IC1輸出向低電平狀態(tài)的初始轉(zhuǎn)換時(shí)，電流來自IC2的旁路電容。這是因?yàn)镮C1的輸出“要求”來自IC2輸入引腳的近瞬時(shí)電流，IC<>輸入引腳從其電源引腳拉出該電流。

我們在IC2上放置了一個(gè)旁路電容器，其電源和接地引腳的連接非常短，以滿足快速電流需求。電源無法提供此瞬態(tài)電流，因?yàn)樗xIC不是很近。因此，它具有很大的電阻，更重要的是，它與IC2的電源引腳之間具有電感。這就是在IC上放置旁路電容器的全部原因：提供電源無法提供的瞬態(tài)（高頻）電流。隨著瞬態(tài)的穩(wěn)定，來自電源的電流越來越多，來自旁路電容器的電流越來越少。

我們進(jìn)一步簡化了這一概念，說直流電流來自電源，交流電流來自旁路電容器。當(dāng)然，我們知道它比這個(gè)解釋要復(fù)雜一些。

當(dāng)我們考慮更動(dòng)態(tài)的情況時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)所有電流都流經(jīng)上述四條路徑的組合。任一方向的公共路徑從源極元件（IC1或IC2）的電源引腳開始，穿過該元件并通過互連到另一個(gè)元件（IC2或IC1），然后通過第二個(gè)元件到達(dá)其接地引腳。電流如何完成從地到源極元件電源引腳的電路取決于信號的速度。直流電流將全部返回電源的接地引線;它將從電源的電源線流到源組件的電源引腳。高頻信號電流將返回到源極元件旁路電容器的接地引線，該接地引線也向電源引腳提供電流。實(shí)際上，兩條路徑始終都涉及，直流路徑主導(dǎo)低頻信號。請記住，即使數(shù)字信號以較慢的速率轉(zhuǎn)換（例如，1Hz方波），導(dǎo)致瞬態(tài)電流的狀態(tài)轉(zhuǎn)換也與更高頻率的信號一樣快。它們根本不經(jīng)常發(fā)生。

當(dāng)然，我們在這里處理的是一個(gè)好的設(shè)計(jì)，所以旁路電容器和IC電源和接地引腳非常接近。像這樣適當(dāng)?shù)呐月肥乖O(shè)計(jì)師的工作變得更加容易。在考慮PCB上的信號電流時(shí)，我們通常可以將旁路電容器和IC視為一個(gè)實(shí)體。

最后，請注意，高速交流信號的功率電流從旁路電容器傳播到它旁路的IC的距離很短。當(dāng)然，通過IC本身的路徑很短。電流環(huán)路的絕大部分距離位于從一個(gè)芯片的輸出到另一個(gè)芯片的輸入和接地返回路徑的互連中。查看圖4和圖5，并考慮如果IC相隔更遠(yuǎn)會(huì)發(fā)生什么情況。旁路電容器靠近其各自的IC，并且所有距離都添加到互連和接地回路中。對于更高速的信號電流，這就是我們將看到問題的地方......如果它們發(fā)生。

數(shù)字和模擬電源和接地

在上面的電路圖中，我們沒有將IC和信號識別為數(shù)字或模擬。IC1可以是運(yùn)算放大器，低側(cè)FET作為輸出級的下部;IC2上的引腳可以是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入。IC1也可以很容易成為具有標(biāo)準(zhǔn)I/O引腳推挽輸出的微控制器;IC2輸入可以是數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）上的控制引腳。

我們之所以提到ADC和DAC，是因?yàn)檫@些元件通常是引起模擬和數(shù)字信號接地問題的元件。

模擬電路傾向于處理以更平滑、連續(xù)的方式變化的信號，并且電壓或電流的微小變化是有意義的。數(shù)字電路傾向于突然從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)，產(chǎn)生電流脈沖;它們往往具有映射到單個(gè)狀態(tài)的寬電壓窗口。正是這些在轉(zhuǎn)換過程中相對較大、尖銳的數(shù)字電流脈沖，如果兩者不能充分分離，可能會(huì)壓倒精確的模擬信號。

阻抗最小的路徑

正是這樣一個(gè)很好理解的原則，即電流以最小阻力的路徑流動(dòng)，以至于這個(gè)概念已經(jīng)進(jìn)入了日常語言。不幸的是，這僅適用于直流電流。說明原理的一種更完整和準(zhǔn)確的方法是電流在阻抗最小的路徑中流動(dòng)。

對于直流電，只有阻抗的阻性部分很重要。在實(shí)心接地層的情況下，眾所周知的直線是電阻最小的路徑。事實(shí)上，電流也會(huì)以更間接的路徑流動(dòng)。通過任何特定路徑的電流量將與距離成反比，因?yàn)槊繂挝婚L度的接地層電阻非常均勻。因此，最大的電流將流經(jīng)電阻最小的直線路徑，而流經(jīng)越來越偏離該直線路徑的路徑的電流逐漸減少。為簡單起見，我們將直流電流指示為在直線路徑中流動(dòng)，并理解存在相當(dāng)廣泛的電流分布，最大的電流沿著該直線移動(dòng)。

對于這里對我們最重要的信號，即一定速度的交流信號，我們還必須考慮阻抗的無功部分。

對于接地層與信號層相鄰的PCB，我們有一個(gè)明確定義的阻抗，該阻抗由走線的幾何形狀、將走線與接地層分開的電路板層的厚度、電路板材料以及信號的頻率決定。這些給定值的所有數(shù)學(xué)細(xì)節(jié)都超出了本教程的范圍。幸運(yùn)的是，沒有必要為了使用這些概念并獲得良好的結(jié)果而完成所有數(shù)學(xué)運(yùn)算。本教程末尾的參考資料很好地涵蓋了細(xì)節(jié)。

考慮我們最初非常簡單的兩個(gè)IC之間單條走線的示例（圖1）。這次我們展示了它們位于PCB上，走線采用間接路徑（圖7）。

圖7.簡單的間接跟蹤。

現(xiàn)在假設(shè)有一個(gè)實(shí)心接地層，每個(gè)IC的接地連接都靠近走線連接點(diǎn)。返回電流必須從一個(gè)IC的接地連接到另一個(gè)IC的接地連接。由于我們有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的接地層，電阻最小的路徑，即直流電流的路徑，將是一條直線（圖8中的藍(lán)色箭頭）。在高頻下，走線與其下方接地層之間的互感使接地路徑直接位于走線下方（圖8中的紅色走線）。

圖8.接地回路電流路徑顯示電阻最小路徑（藍(lán)色）和阻抗最小路徑（紅色）。

但什么是“高頻”？通用準(zhǔn)則2是幾百kHz及以上的頻率具有沿信號跡線下方路徑的返回電流。我們認(rèn)為高于“高”的實(shí)際頻率由走線、電路板幾何形狀（走線寬度、層間空間）和電路板材料（介電常數(shù)）決定。為了使返回電流跟隨跡線，在大多數(shù)常見情況下，我們不必?fù)?dān)心確切的頻率。

對這種現(xiàn)象的數(shù)學(xué)處理極其復(fù)雜，對作者來說，非常令人困惑。幸運(yùn)的是，Bruce Archambeault博士已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于此事的文章。3并慷慨地提供了以下圖表，這些數(shù)字在視覺上展示了這個(gè)主題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一頁充滿方程式的頁面。

圖9顯示了接地平面上示例“U”形走線的幾何形狀。

圖9.此示例的物理幾何圖形。（繪圖由Bruce Archambeault博士提供。

然后，Archambeault博士對不同頻率的信號進(jìn)行了電磁模擬，以查看電流將通過什么路徑流動(dòng)。當(dāng)然，每種情況下的正向信號電流都受限于走線。但是，返回接地電流可以流過接地層上的任何位置。

圖10顯示了1kHz信號的電流如何流動(dòng)。接地電流主要以直線直接從負(fù)載流向電源，如窄黃線所示。少量的接地電流沿著信號路徑（淺藍(lán)色）流動(dòng)，而更小的量在這兩個(gè)路徑之間流動(dòng)，如大部分平面的深藍(lán)色所示。

圖 10.1kHz接地電流沿直線從負(fù)載流向源極。（繪圖由Bruce Archambeault博士提供。

圖11顯示了50kHz信號的電流，主要沿著信號走線（沿著走線路徑的寬綠線）流動(dòng)，在較小程度上，直接從負(fù)載流向源極（走線兩端較暗的寬綠線）以及兩者之間的電流。中間區(qū)域?yàn)闇\藍(lán)色而不是深藍(lán)色，表示電流最小。

圖 11.50kHz接地電流到處流動(dòng)。（繪圖由Bruce Archambeault博士提供。

最后，圖12顯示了具有1MHz信號的電流路徑。幾乎所有的返回接地電流都沿著信號走線的路徑流動(dòng)。

圖 12.1MHz 接地電流跟隨信號走線。（繪圖由Bruce Archambeault博士提供。

正如人們所期望的那樣，返回電流在平面上的分布確實(shí)比走線本身更寬。這些較高頻率的電流分布由以下公式給出。4

其中：
J（x） 是電流密度;
I 是總電流;
w 是跡線寬度;
h為板層厚度（跡線在平面上方的高度）;
x 是我們測量電流的走線正下方的距離，如圖 13 所示。

圖 13.板的橫截面。

需要注意的是，公式1與頻率無關(guān)（同樣，假設(shè)頻率足夠高，如上所述）。當(dāng)我們計(jì)算等式1時(shí)，我們得到一個(gè)高斯樣分布，其峰值正好位于跡線中心下方。如果我們將 x = ?h 到 x = h 之間的電流相加，我們發(fā)現(xiàn)總電流的 50% 在這個(gè)范圍內(nèi)。此外，80%的電流在x = ?3h和x = 3h之間。正如人們直觀地期望的那樣，電路板層越薄（即，走線越靠近平面），電流分布就越緊密。

旁路電容器很重要

如本教程前面所述，任何電路中電流的更完整描述包括每個(gè)IC和電源的旁路電容。我們從圖8中簡化的雙IC電路示例開始。然后，我們將旁路電容包括在圖14中。此圖顯示了IC1源的電流路徑。在本例中，信號層相鄰的層上有一個(gè)實(shí)心接地層，假定該層是分量層。功率分布在此頂層，大金屬跡線以灰色顯示。與接地層的連接是通過從信號層上的綠色金屬部分到接地層的過孔進(jìn)行的。

圖 14.完整的電流路徑，IC1正在采購。

信號/分量層上的信號電流用虛線表示。它們最容易理解，因?yàn)樗鼈儑?yán)格限于我們選擇放置的信號跡線。返回電流有一個(gè)完整的平面，它們可以在上面流動(dòng)。由于直流電流將流過電阻最小的路徑，我們知道直流返回路徑將直接從負(fù)載設(shè)備的接地引腳（在本例中為 IC2）通過最短的距離（直線）到達(dá)電源的接地連接。高頻（瞬態(tài)）電流將在信號走線下方流動(dòng)，其分布由走線和電路板的幾何形狀決定。

我們可以更深入地挖掘電流，尋找介于兩種情況之間的信號。從足夠低的頻率開始，使很大一部分電流流出電源，而不是幾乎所有電流從電容器流出。在這種情況下，仍然存在互感，這將迫使電流在信號走線下返回，但分布當(dāng)然會(huì)更寬。此外，走線下方的返回電流一旦到達(dá)IC，它就不會(huì)全部返回到電容地。取而代之的是，來自電容器的電流的一部分將返回到其地，而其余部分將返回到電源接地。最后，隨著頻率的降低，互感的影響將越來越小;更多的電流將流過直流路徑。

幸運(yùn)的是，只要我們也做好繞過IC和正確分配電源的工作，這種中間情況已經(jīng)通過我們處理高頻和直流情況的努力來管理。后面的兩個(gè)項(xiàng)目實(shí)際上是同一努力的兩個(gè)方面。隨著電源遠(yuǎn)離其供電的IC，兩者之間的阻抗（電阻和電感）將增加。當(dāng)連接兩者的走線寬度減小時(shí)，也會(huì)發(fā)生這種情況。互連器件顯示的電源和IC之間的阻抗（請記住包括返回阻抗）越大，就越依賴旁路電容器來提供較低頻率的電流。因此，隨著電源阻抗的增加，需要更多的電容。

因此，我們必須再次滿足IC上充分旁路電源的要求。

為完整起見，圖15顯示了IC2供電時(shí)的電流。

圖 15.完整的電流路徑，IC2源。

請注意信號/分量層上的互連跡線。我們只改變了信號電流和交流返回電流的箭頭方向。在這種情況下，它是C2，IC2的旁路電容器，它通過IC2的V提供交流信號電流DD引腳連接到IC2上的信號引腳。傳遞到IC1的信號電流通過IC1的接地引腳接地;交流部分返回信號路徑下方的接地層，直流部分直線返回電源。

地面不是等電位

在這一點(diǎn)上，重要的是要了解接地層，盡管我們被教導(dǎo)為EE101，但它不是等電位。首先，無論銅對于接地層來說有多厚，它都有電阻。因此，如果模擬和數(shù)字返回電流（或任何兩個(gè)電流）共享接地層的一部分（即，它們的電流流過同一金屬），則兩者之間將存在串?dāng)_，因?yàn)殂~電阻會(huì)導(dǎo)致IR電壓下降。可以這樣想：兩個(gè)不同元件的接地引腳幾乎在同一點(diǎn)連接到接地層，它們的電流返回到電路板另一端的單個(gè)點(diǎn)。假設(shè)沿該路徑的平面銅電阻為0.01Ω，元件A提供1A電流，而元件B的電流為1μA。在這些元件連接的末端，接地電壓將比電流返回點(diǎn)的接地電壓大10mV。即使是僅輸出1μA電流的元件B，在返回點(diǎn)上也會(huì)上升10mV。如果來自元件A的電流在1A至0A之間交替，則以元件B為基準(zhǔn)的任何電壓將隨該電流上下變化10mV。

當(dāng)數(shù)字電路與模擬電路共存時(shí)，共享返回路徑通常會(huì)導(dǎo)致問題。共享可能會(huì)干擾精密模擬電路的正常運(yùn)行。

接地層電壓不均勻的另一個(gè)原因是電氣長度。在較高頻率下，通過平面的電流路徑長度可能占電路板上傳播信號波長的很大百分比。我們不會(huì)在本教程中介紹這一事實(shí)。可以說越短越好。

將一切整合在一起

了解了PCB上電流的基礎(chǔ)知識后，我們可以開始利用這些知識來正確處理混合模數(shù)IC的接地。最終目標(biāo)是確保數(shù)字電流和模擬電流不會(huì)共享同一返回路徑的部分。

現(xiàn)在您已經(jīng)意識到，整個(gè)目標(biāo)是最小化數(shù)字和模擬信號返回路徑的共性。事實(shí)上，這就是目標(biāo)。如果我們這樣做，我們將消除“討厭的”數(shù)字信號破壞“原始”模擬信號時(shí)出現(xiàn)問題的主要原因。

一個(gè)常見的假設(shè)是，應(yīng)該將接地層切割成數(shù)字部分和模擬部分。這是一個(gè)很好的起點(diǎn)。如您所見，如果我們正確布置所有內(nèi)容，我們可以在不改變性能的情況下填充切割。

切割地平面...目前

我們從電路板上的通用ADC開始，作為唯一同時(shí)具有模擬和數(shù)字電路的組件。然后，我們將確定在哪里切割單點(diǎn)接地的接地層。

圖16顯示了ADC芯片的引腳連接。僅明確標(biāo)記電源和接地引腳。另一個(gè)標(biāo)簽僅指示連接是用于模擬引腳還是數(shù)字引腳;它們的具體功能并不重要。模擬引腳可以是幾個(gè)信號輸入引腳之一，也可以是基準(zhǔn)輸入或輸出。數(shù)字引腳可以是串行或并行接口、控制引腳或片選的一部分。對于我們的討論，無論它們的具體功能如何，我們都一視同仁。

圖 16.一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成電路。

請注意，數(shù)字引腳是連續(xù)的，模擬引腳和數(shù)字接地相鄰。這種情況并不少見，因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)人員必須管理與電路板設(shè)計(jì)人員相同的現(xiàn)實(shí)。另請注意，有兩個(gè)數(shù)字接地引腳。這有時(shí)是必要的，以便芯片中的接地電流在從芯片的一端運(yùn)行到另一端時(shí)不會(huì)引起問題。

由于模擬和數(shù)字引腳在這里很好地分組在一起，因此很容易決定將（臨時(shí)）接地層切斷的位置。

圖 17.具有切割接地層的 ADC。

我們在圖17中看到藍(lán)色的接地層，單點(diǎn)接地正好位于相鄰的模擬和數(shù)字接地引腳上。通常，當(dāng)像這樣使用切割接地層時(shí)，設(shè)計(jì)人員將所有數(shù)字芯片和相關(guān)組件放在切割的一側(cè)，將所有模擬芯片和相關(guān)組件放在另一側(cè)。這樣，它們的接地引腳可以連接到接地層的正確部分。回想一下，在本例中，我們的ADC是唯一同時(shí)具有模擬和數(shù)字引腳和信號的器件。

現(xiàn)在假設(shè)我們在這方面做得很好，所有數(shù)字元件都完全在接地層的數(shù)字部分，所有模擬元件都在另一部分。我們還沒有完成。我們必須考慮信號跡線的路由。

路由信號走線

我們從本設(shè)計(jì)中其他IC之一的數(shù)字信號開始，如圖18所示。

圖 18.數(shù)字跡線路由錯(cuò)誤。

該跡線穿過大部分模擬部分，并在兩個(gè)地方穿過地面切口。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員會(huì)認(rèn)為這是不好的形式，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致模擬區(qū)域出現(xiàn)數(shù)字走線，從而污染模擬信號。雖然這是事實(shí)，但問題的嚴(yán)重程度往往沒有得到充分認(rèn)識。考慮交流電流將返回的位置。

圖 19.接地返回不良數(shù)字走線。

圖19顯示了橙色的返回電流。注意它如何跟隨信號跡線，直到遇到切口。此時(shí)，它只能通過單點(diǎn)地面返回以到達(dá)切口的另一側(cè)。因此，我們不僅讓數(shù)字電流及其高頻內(nèi)容流經(jīng)模擬電路的接地——這是我們試圖避免的——而且我們還創(chuàng)建了兩個(gè)漂亮的環(huán)形天線來輻射這些信號。

為了使我們的地面切割方法起作用，我們必須確保數(shù)字和模擬組件保持在切割的各自一側(cè)，并且走線也是如此。

當(dāng)我們滿足此要求時(shí)會(huì)發(fā)生什么？圖20顯示了在不跨越任何接地切的情況下路由的所有信號走線。返回電流在信號走線下方流動(dòng)，使環(huán)路面積最小化，因?yàn)閷⑿盘栕呔€與接地層分開的唯一因素是PCB本身的厚度。

圖 20.所有跟蹤都路由在正確的一側(cè)。

仔細(xì)觀察圖20中的接地電流。沒有一個(gè)電流“想要”穿過地平面切口。這是因?yàn)槲覀円恢痹谛⌒牡胤胖媒M件，以便所有數(shù)字或模擬連接都位于各自的接地區(qū)域。然后，我們將所有跟蹤路由到適當(dāng)?shù)膮^(qū)域。由于沒有電流穿過切口，因此切口沒有任何用途，因此可以消除（即用金屬填充）。

力量呢？

我們決定在示例布局中消除接地切口，因?yàn)闆]有“想要”穿過切口的信號返回電流。但是，我們必須考慮電源連接。如果模擬和數(shù)字電源都來自完全相同的電源，則電源及其回路必須位于切斷的一側(cè)或另一側(cè)（圖 20）。在這種情況下，來自切斷另一側(cè)的所有直流返回電流（以及足夠低的頻率，使得大量電流來自電源而不是旁路電容器）必須通過窄接地橋漏斗，而不是直接進(jìn)入電源返回連接。這使得它們的路徑更長，遇到的電阻更大，因此電壓下降更大。

對于ADC上的引腳吸收信號電流的返回接地電流，這種布局沒有問題，因?yàn)檫@些電流從位于電橋上的接地引腳返回。但是，來自其他元件上接地引腳的電流必須采用間接路徑。圖21顯示了這些電流。

圖 21.帶切斷的直流接地電流。

去除切口

如果我們?nèi)サ羟锌冢绷鞣祷仉娏骺梢愿苯拥亓鲃?dòng)，電阻更低，因此壓降更低。圖22顯示了相同的接地電流，但去除了切口。

圖 22.圖21的電路，去除了接地切口。

同樣的想法可以擴(kuò)展到存在多個(gè)軌道的情況。我們只需要記住返回電流的流向，并考慮多個(gè)電源軌，就像我們對單軌所做的那樣。

多個(gè)混合信號IC的接地挑戰(zhàn)

當(dāng)考慮具有多個(gè)IC同時(shí)需要模擬和數(shù)字接地的設(shè)計(jì)時(shí)，切割接地層的問題變得更加明顯。假設(shè)我們有兩個(gè)上面討論的相同ADC。圖23顯示了這種配置，以及獲得所需的單點(diǎn)接地是如何不可行的。

圖 23.兩個(gè)具有切割接地層的ADC。

對這種情況的直接反應(yīng)可能是將其中一個(gè)ADC旋轉(zhuǎn)180度，從而將兩者合并為一個(gè)單點(diǎn)接地。但是，這會(huì)將一個(gè)電路的數(shù)字部分放在IC以北，模擬部分放在IC以南;該安排將針對另一個(gè)電路進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。結(jié)果將是混亂——模擬和數(shù)字信號相互混淆。即使這可以工作，它也不能解決三個(gè)或更多具有模擬和數(shù)字接地的芯片的問題。

幸運(yùn)的是，我們可以對單個(gè)混合信號IC應(yīng)用相同的接地原理。我們想象切口就在那里，或者如果我們的想象力受到挑戰(zhàn)，我們會(huì)暫時(shí)插入它們。然后，我們放置組件并布線，以便不允許痕跡穿過切割。我們可能還需要防止ADC1的模擬信號與ADC2的模擬信號共享接地路徑。這通常很容易做到，因?yàn)槲覀冏匀粫?huì)將每個(gè)ADC電路的元件放置在離它更近的地方，而不是它的鄰居。圖24顯示了信號電流顯示為紅線，交流返回電流顯示為橙色線的情況。

圖 24.所有痕跡都路由在切割的正確一側(cè)。

與單個(gè)混合信號IC的例子一樣，沒有電流“希望”越過切割，因此可以消除切割。

同樣的想法可以擴(kuò)展到更復(fù)雜的情況。一般來說，考慮任何信號的電流將流向何處以及它如何干擾或被流經(jīng)同一金屬的其他電流破壞是一個(gè)好主意。這對于大多數(shù)應(yīng)用程序來說已經(jīng)足夠了。

有時(shí)切割可能很有用

在某些情況下，各種機(jī)械約束（例如連接器的所需位置）使得難以保持電流流動(dòng)，尤其是低頻或直流電流，遠(yuǎn)離我們想要保護(hù)的電路。在這些情況下，我們可能不得不明智地在接地層上放置切口。

避免這種復(fù)雜性的愿望是在項(xiàng)目早期考慮連接器的機(jī)械放置以及PCB組件放置和布線的良好動(dòng)機(jī)。如果在設(shè)計(jì)之初就考慮布局的連接器，可以使最終布局更容易、更干凈，最重要的是，成功。

即使我們仔細(xì)考慮機(jī)械放置和信號流之間的相互作用，我們也很容易遇到外部要求迫使我們把接口放在一些地方，這樣就很難阻止一些電流流到我們不希望它們?nèi)サ牡胤健?/p>

圖25顯示了由于系統(tǒng)要求而在特定位置具有數(shù)字、模擬和電源接口的電路板。我們很好地將嘈雜的數(shù)字內(nèi)容放置在敏感的模擬電路附近，但與敏感的模擬電路分開。如上所述，任何模擬和數(shù)字芯片都被明智地放置在邊界區(qū)域。

圖 25.具有固定外部接口位置的數(shù)字和模擬板。

我們甚至在定位功率穩(wěn)壓器方面做得很好，以便模擬和數(shù)字的高頻接地回路不會(huì)傾向于共享路徑。但是，請記住，直流和低頻電源電流都將返回到左下角電阻最小的路徑：直線的電源接地。

結(jié)果是，來自數(shù)字部分右下角區(qū)域的大直流和低頻電流將直接流過敏感的模擬電路。我們可以通過在模擬和數(shù)字電路部分之間放置一個(gè)水平切口來解決這個(gè)問題，該切口延伸到電路板的右邊緣。但是，我們不希望在此切割中運(yùn)行數(shù)字部分和模擬部分之間的接口信號。圍繞切割布線這些痕跡會(huì)導(dǎo)致它們采取很長的間接路線，這可能是非常不切實(shí)際的，特別是如果它們有很多或它們特別快。

另一個(gè)想法是在模擬電路和模擬穩(wěn)壓器之間放置一個(gè)垂直切口，迫使數(shù)字電源返回電流從模擬電路流出。這也要求我們在切割周圍路由模擬電源。圖 26 顯示了如何完成此操作。

圖 26.帶接地切割的模擬和數(shù)字板。

從數(shù)字電路到電源接地的電阻最小的直流路徑現(xiàn)在不再是一條直線。相反，它是一條經(jīng)過切割上方的路徑，從而繞過了模擬電路（以其原始的威嚴(yán)）。這種安排可能就足夠了。但是，如果如圖所示有多個(gè)模擬電源軌，也可能很麻煩。

在某些情況下，模擬穩(wěn)壓器本身具有靈敏度，具有模擬電路正常運(yùn)行所需的低噪聲。圖 27 顯示了不同的排列方式。該概念與圖26相同，只是模擬穩(wěn)壓器與模擬電路位于切口的同一側(cè)。

圖 27.帶有模擬穩(wěn)壓器的同一板移動(dòng)了。

有時(shí)會(huì)有嘈雜的開關(guān)穩(wěn)壓器，然后是用于模擬電路的濾波和低噪聲線性穩(wěn)壓器。采用類似的思維來決定噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器的放置位置，始終考慮電流將流向何處。

板級設(shè)計(jì)人員越來越多地遇到的另一種情況是高頻信號的信號完整性。隨著頻率越來越高到GHz范圍，我們發(fā)現(xiàn)彼此接近和平行的走線之間的串?dāng)_。這使事情變得更加復(fù)雜。正如我們之前所了解到的，在接地平面上單條走線的簡單情況下，如Archambeault博士對1MHz信號的仿真（圖12）所示，返回電流不包含在信號走線正下方的區(qū)域內(nèi)，而是更寬。很容易看出并聯(lián)走線的返回電流會(huì)有多接近。隨著頻率的增加，跡線在波長中所占的百分比越來越高，信號更有可能相互破壞。5

結(jié)論——注意電流的流向

混合信號PCB設(shè)計(jì)的許多問題可以通過遵循以下簡單建議來避免： 注意電流流向何處.在大多數(shù)情況下，我們所要做的就是記住兩個(gè)基本原則：直流和低頻主要在源極和負(fù)載之間電阻最小的直線路徑上流動(dòng);高頻信號遵循阻抗最小的路徑，該路徑直接位于信號走線下方。中間頻率通過兩條路徑和兩條路徑之間流動(dòng)。

使用切割來防止不同電路之間的交互的想法通常是不必要的，只要我們明智地放置組件和路由跟蹤以防止這種情況發(fā)生。有時(shí)需要接地層切割，因?yàn)槲覀儾⒉豢偸强梢宰杂蛇x擇元件的放置位置。同樣，考慮到所有電流，明智地放置切口。我們還必須記住，任何信號都不應(yīng)該穿過任何層的切口。

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審核編輯：郭婷