AGNDvsDGND在PCB上的设计从阻抗最低的角度理解

混合信号器件的PCB地布局——从阻抗最低的角度理解SuccessfulPCBGroundingwithMixed-SignalChips-FollowthePathofLeastImpedance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，具有大的电压范围。如果这两个电压没有隔离，数字信号将影响模拟信号。低阻抗路径众所周知，信号总是会在最小电阻的路径上流动。不幸的是，这仅对直流信号有效。更精确的描述应该是：信号总是会在最小阻抗的路径上流动。对于直流信号，阻抗只与电阻有关。众所周知，对于只有一个地平面的系统，两点之间的直线连接是电阻最小的路径。通过特定距离的电流量与距离成反比，因为单位长度的电阻值是一个固定的数值。因此，大部分电流将流过最小电阻的直线路径，偏离直线路径越远，流过的电流越少。简单来说，DC电流被表示为直线路径，理解为最大和最广的电流将沿直线传播。大部分信号还是AC信号，有一定的变化速度，我们考虑它的相关阻抗。对于PCB上临近地平面的走线，其阻抗与线的类型，线宽，层间距，层间介质，信号速率等参数确定。这些内容本文不详细讨论。仍然考虑前面的简单例子，不同的是这次两个芯片间不再直线连接。假设每个芯片的地连接管脚都有一个完整的地平面。返回路径将从一个芯片的一个地管脚到另外一个芯片的地管脚。由于地平面是统一的，对于DC电流最小阻抗的路径是两点间直线连接。高频信号，信号和地之间最小互感的路径是信号线下方的部分。但是，什么算高频？一般而言超过几百kHz的信号就算了。但实际的频率是很多条件决定的。这个现象的数学处理很复杂，但有一个仿真结果对于我们更直观。总体而言，前向信号的路径约束在走线内，返回信号的路径会出现在整个地平面。Figure10为1kHz信号，大部分返回电流基本上直接从源端到负载端，窄黄色。很小部分返回电流跟随信号路径（浅蓝色），更小部分返回电流在两个路径之间（深蓝色）。Figure11为50kHz信号。大部分返回电流跟随信号路径（绿色），更少的一部分直接从源端到负载端（暗绿色）。两条回路中间是浅蓝而不是深蓝，说明最小的电流分布。Figure12为1MHz信号。几乎所有的返回电流都在信号路径下方。正如人们所料，返回电流会散步在更广的空间。公式给出返回电流的分布密度。分布密度与频率无关，并且呈高斯分布：在x=-h~h的范围内，分布了50%以上的电流。在-3h~3h范围内，分布了80%的电流。板卡层间距越小，电流分布的越密集。去耦电容很重要正如之前所示，任何电路的电流流动都包含电源和去耦电容两部分。在前面那个简单例子基础上增加去耦电容，IC1为sourcing，地平面在器件背面，正面有电源分布和信号走线。信号电流由虚线表示。DC电流返回路径为最短的；AC电流路径在紧挨着信号。更深入的讨论介于DC和高频信号之间的信号。一部分电流来自电源，因此返回路径大部分仍然沿着信号路径，但是范围更宽。返回信号到达IC，一部分电流到去耦电容，一部分要回到电源。最后随着频率越来越低，互感会越来越小，更多电流通过DC路径返回。根据上述原理，需要处理电源和去耦电容的问题。电源的阻抗变高（距离变远，布线变窄），就需要更多的去耦电容来提供电流。因此IC附近的去耦电容是必须要做到位的。地平面并不是等电位的理解地平面不是等电位的这点非常重要。首先，地平面肯定有电阻存在。因此当模拟信号和数字信号返回电流共享一段路径时，由于电阻存在造成电压跌落进而产生串扰【注：也就是要求数字信号和模拟信号的回流，不要相互干扰】。比如A和B两个器件，他们的地管脚挨的很近，并且电流返回路径来自板卡的另外一侧。假设地平面电阻0.01Ω，A器件驱动1A电流，B器件驱动1uA电流。在器件这一侧的地电压将比返回电流一侧的电压高10mV。因为返回路径基本上是共用的，所以即使B驱动电流很小，他也要接受这10mV的地平面电平提升。A器件的驱动电流在1A和0A之间变化，那么B器件将要接受参考电压10mV的变化。当数字信号和模拟信号共用返回路径时，就会出现问题。干扰将影响模拟电路的精确程度。另外一个影响地平面不等电位的因素是信号长度。一个更高频率的信号，信号路径的长度和信号在板卡上传播的波长强相关。本文不重点讨论，但结论是连线越短越好。综合上面所有理解了上面电流的基本原理，我们开始讨论混合IC器件。最终要保证的是：数字信号和模拟信号不要共享返回路径。现在，应该理解了尽量减少数字和模拟返回路径耦合的重要性。实际上，这也是我们的目标。如果能够实现这个目标，数字信号对模拟信号的干扰，也就解决了。一个通常的概念是，划分数字区域地和模拟区域地。这是个好的开始。你同时将看到，如果处理的好，在性能保持不变的情况下，我们可以填充这个分隔线。现在，开始切割地平面使用ADC器件（既有模拟信号又有数字信号）作为分析的开始，然后讨论从哪个地方开始切割地平面。Figure16示意了一个ADC器件，只有电源和地管脚被明显标注，其他管脚仅为标注为模拟信号或者数字信号，没指名具体功能。注意数字信号和模拟信号邻近，模拟地管脚和数字地管脚邻近。这是很正常的，因为芯片设计工程师必须考虑在板卡上的同样实现。同时注意有2个数字地管脚，这是为了保证该器件的返回电流当从该器件流向其他器件时，不会出现问题。由于数字管脚和模拟管脚被分隔了明显的2组，很容易进行地平面分隔。Figure17示意了地的分割，最终在数字地和模拟地之间留了一段连接在一起。划分后，其他数字器件放在分隔线一侧，模拟器件放在另外一侧。注意该分割基于板卡上仅有这一个混合信号器件。下面考虑布线。信号走线开始考虑一种情况，数字信号走线，跨越两次分隔线。很明显这样不好，会污染模拟信号。从信号返回路径考虑一下。大部分设计者都知道这样走线是非常不好的。我们现在从AC信号的回流路径来进一步分析。返回路径应该在信号路径下方，当遇到分隔线时将绕到单点接地的地方。因此，我们不仅会有数字返回电流流经模拟区，同时我们还创造了环路天线辐射信号。因此为保证切割的地能正常工作，我们要保证数字和模拟器件分别在两个区域，对应的布线也要在相同区域。正确的布置如figure20仔细观察一下figure20，没有电流想跨过分割线。因此，这个分割将没有意义，因此可以取消。电源考虑因为没有电流流过分隔线，我们已经决定取消地平面的分隔线。但我们仍然需要考虑电源连接。如果模拟部分和数字部分供电源来自一个，电源返回路径必须位于分割线的一侧。因此DC返回电流将从单点接地处进行回流。这将导致回流路径增大，电阻增大，电压下降明显。这样的布局对于ADC吸收电流来说没有问题，因为返回电流从地管脚流出，而地管脚又都在这个分隔点上。但如果对于其他模拟器件的返回电流将是问题，因为所有返回路径都要绕道这个分割点。去掉分隔线如果去掉分隔线，所有模拟器件的回流都是直接的，具有最小电阻和最低电压变化。同样的考虑可扩展到多个电源。将多个电源的返回路径都考虑到就可以了。【注，这仅限于电源位于分隔线的位置，如果电源必须位于板卡的上边沿或者下边沿，那么势必有DC电流跨区域回流，造成不利影响。因此这种情形需要增加分隔线】多个混合器件的地平面挑战当有多个混合器件时，地平面的划分问题变得更明显。如果有2个混合器件，还和上面一样分割，将不能获得单点接地。为了获得单点接地，可以将其中一个器件旋转180。但这个结果将导致数字和模拟区域正好相反。这将导致一个混乱的结果，数字和模拟信号交错在一起。即使这样可以工作，更多的混合器件呢？将无法解决。幸运的是，我们仍可以按照一片混合器件的思