AGNDvsDGND在PCB上的設計——從阻抗最低的角度理解

1、混合信號器件的PCB地布局從阻抗最低的角度理解Successful PCB Grounding with Mixed-Signal Chips - Follow the Path of Least Impedance要點摘要Ø 芯片本身不會提供電流。只用板卡上的電源才是電流真正的提供者Ø DC電流來自電源，AC電流來自去耦電容Ø 電流環(huán)路的主要距離是芯片之間的互連線以及返回路徑Ø 信號總是會在最小阻抗的路徑上流動Ø 數字信號和模擬信號不要共享返回路徑Ø 合理的器件布局，可以消除平面分割Ø DC和低頻信號走最短的直線距離（最低

2、電阻路徑）回流；高頻信號選擇最低阻抗路徑回流，即信號線的正下方。頻率介于之間的信號，回流路徑均存在Ø 關注回流路徑，是解決干擾問題的根本簡介板級設計者通常非常關心混合信號IC芯片（具有AGND和DGND管腳）接地的正確處理方式。這兩種地是不是應該完全分隔？還是應該在某點將分割的地連接在一起以增強參考點的功能？當有多個這樣的IC設備時，這個連接點又應該如何處理？這篇文章將討論混合信號芯片在PCB上的接地方法。對于大多數應用，沒有分割的單一平面就可以實現正確的功能。接下來，我們介紹如何布局芯片和走線以減小串擾問題。最后，我們考慮電源供電電流，并擴展到多個混合芯片的系統(tǒng)。從電流開始我們之所

3、以將多個電子元件組成的東西稱為“電路”，是因為電流從源端流到負載，然后通過返回路徑返回源端組成一個回路。不論是哪個方向，電流的流動都是基于讓模擬電路正常工作。顯然，數字電路也是模擬電路，可以看作是模擬電路的一個僅有兩個狀態(tài)的子集。圖1顯示了一種最簡單的連接：兩個芯片之間用一條直線最短連接。把這個看作理想世界的理想電路，IC1的輸出阻抗為0而IC2的輸入阻抗無窮大，因此這個連接之間將沒有任何電流。然而實際上，電流將從IC1流向IC2，或者相反。這個電流會是什么情況呢？實際上，兩個芯片之間還必須存在另外一種連接信號，用于流向IC2（或者相反）的電流流回IC1，這個連接通常就是地信號。當然，芯片本身

4、不會提供電流。只用板卡上的電源才是電流真正的提供者。簡單起見，我們考慮使用單一電源，同時每個芯片有去耦電容。所有的DC電流，最終的起始點和結束點，都在供電電源處。對于高頻信號（所謂的“高”，取決于去耦電容和供電電源的阻抗），電流的起始點和結束點，都在去耦電容。同時我們也應該注意，輸出管腳并不總是電流的流出的地方。比如IC1為輸出低電平，此時內部的FET打開接地，電流從IC2的上拉電阻流出，流入IC1的管腳，最后通過IC1的接地管腳流回IC2的接地管腳。因此，雖然IC1為驅動端，但是管腳卻吸收電流，電流從IC2的流出。如果上圖的IC1的輸出管腳長時間處于低電平，則靜態(tài)電流將直接由電源提供。截至目

5、前為止，我們討論的模型都很簡單，習慣于將信號劃分為低頻信號和高頻信號，就好比確實有一個分界線一樣。然而實際上，低頻和高頻總是同時存在的。比如figure6，在IC1輸出低的一開始，電流來自IC2的去耦電容，這是因為IC1需要一個近乎瞬態(tài)變化的電流。我們一般放置去耦電容，非常靠近IC2的電源和地管腳，就是為了能看快速響應這種電流需求。電源不能提供這種瞬態(tài)需求是因為電源一般距離較遠，因此供電電源和芯片管腳之間會存在電阻和電感（更重要）。這就是芯片附近放置去耦電容的重要原因：提供快速瞬態(tài)電流需求。瞬態(tài)過程結束后，越來越多的電流來自電源，而來自去耦電容的電流會越來越少。更簡單的說法：DC電流來自電源，

6、AC電流來自去耦電容。當然，實際過程是更復雜的。當我們考慮更復雜的情形，我們會發(fā)現實際上電流是上述4種路徑的組合。不論哪個方向，電流總是從源芯片的電源管腳，通過互連線到達另外一個芯片，然后從第二個芯片的地管腳流出。這個路徑總是會發(fā)生的，不同的是，電流從地如何返回電源，這取決于信號的速率。DC信號來自電源，高頻信號來自去耦電容。但實際上這兩種情況總是同時發(fā)生的。即使是低頻的信號，狀態(tài)的轉換的瞬時性與高頻信號都差不多。當然，好的設計一般電源，去耦電容和芯片都距離很近。正確的去耦也會使設計更加簡單。通常在考慮信號電流在PCB上的流動時，我們將去耦和芯片看做一個整體。最后，對于高速AC信號，去耦電容提

7、供電流的路徑很短，信號電流在芯片內部流過的路徑也很短。電流環(huán)路的主要距離是芯片之間的互連線以及返回路徑。對于高速信號電流，這將是可能出問題的地方。數字和模擬的供電和地前面提到的電路，我們并沒有區(qū)分模擬和數字。IC1可能是一種運算放大器，輸出管腳連接IC2（看作ADC）；或者IC1可能是一個控制器的IO輸出，連接IC2（看作DAC）。我們提到ADC和DAC，是因為這是一種常用的具有AGND和DGND的器件。模擬電路需要工作在光滑平順的模式，電壓和電流的微小變化都會影響結果。數字電路是兩個狀態(tài)，具有大的電壓范圍。如果這兩個電壓沒有隔離，數字信號將影響模擬信號。低阻抗路徑眾所周知，信號總是會在最小電

8、阻的路徑上流動。不幸的是，這僅對直流信號有效。更精確的描述應該是：信號總是會在最小阻抗的路徑上流動。對于直流信號，阻抗只與電阻有關。眾所周知，對于只有一個地平面的系統(tǒng)，兩點之間的直線連接是電阻最小的路徑。通過特定距離的電流量與距離成反比，因為單位長度的電阻值是一個固定的數值。因此，大部分電流將流過最小電阻的直線路徑，偏離直線路徑越遠，流過的電流越少。簡單來說，DC電流被表示為直線路徑，理解為最大和最廣的電流將沿直線傳播。大部分信號還是AC信號，有一定的變化速度，我們考慮它的相關阻抗。對于PCB上臨近地平面的走線，其阻抗與線的類型，線寬，層間距，層間介質，信號速率等參數確定。這些內容本文不詳細討

9、論。仍然考慮前面的簡單例子，不同的是這次兩個芯片間不再直線連接。假設每個芯片的地連接管腳都有一個完整的地平面。返回路徑將從一個芯片的一個地管腳到另外一個芯片的地管腳。由于地平面是統(tǒng)一的，對于DC電流最小阻抗的路徑是兩點間直線連接。高頻信號，信號和地之間最小互感的路徑是信號線下方的部分。但是，什么算高頻？一般而言超過幾百kHz的信號就算了。但實際的頻率是很多條件決定的。這個現象的數學處理很復雜，但有一個仿真結果對于我們更直觀。總體而言，前向信號的路徑約束在走線內，返回信號的路徑會出現 在整個地平面。Figure10 為1kHz信號，大部分返回電流基本上直接從源端到負載端，窄黃色。很小部分返回電流

10、跟隨信號路徑（淺藍色），更小部分返回電流在兩個路徑之間（深藍色）。Figure11為50kHz信號。大部分返回電流跟隨信號路徑（綠色），更少的一部分直接從源端到負載端（暗綠色）。兩條回路中間是淺藍而不是深藍，說明最小的電流分布。Figure12 為1MHz信號。幾乎所有的返回電流都在信號路徑下方。正如人們所料，返回電流會散步在更廣的空間。公式給出返回電流的分布密度。分布密度與頻率無關，并且呈高斯分布：在x=-hh的范圍內，分布了50%以上的電流。在-3h3h范圍內，分布了80%的電流。板卡層間距越小，電流分布的越密集。去耦電容很重要正如之前所示，任何電路的電流流動都包含電源和去耦電容兩部分。在

11、前面那個簡單例子基礎上增加去耦電容，IC1為sourcing，地平面在器件背面，正面有電源分布和信號走線。信號電流由虛線表示。DC電流返回路徑為最短的；AC電流路徑在緊挨著信號。更深入的討論介于DC和高頻信號之間的信號。一部分電流來自電源，因此返回路徑大部分仍然沿著信號路徑，但是范圍更寬。返回信號到達IC，一部分電流到去耦電容，一部分要回到電源。最后隨著頻率越來越低，互感會越來越小，更多電流通過DC路徑返回。根據上述原理，需要處理電源和去耦電容的問題。電源的阻抗變高（距離變遠，布線變窄），就需要更多的去耦電容來提供電流。因此IC附近的去耦電容是必須要做到位的。地平面并不是等電位的理解地平面不是

12、等電位的這點非常重要。首先，地平面肯定有電阻存在。因此當模擬信號和數字信號返回電流共享一段路徑時，由于電阻存在造成電壓跌落進而產生串擾【注：也就是要求數字信號和模擬信號的回流，不要相互干擾】。比如A和B兩個器件，他們的地管腳挨的很近，并且電流返回路徑來自板卡的另外一側。假設地平面電阻0.01，A器件驅動1A電流，B器件驅動1uA電流。在器件這一側的地電壓將比返回電流一側的電壓高10mV。因為返回路徑基本上是共用的，所以即使B驅動電流很小，他也要接受這10mV的地平面電平提升。A器件的驅動電流在1A和0A之間變化，那么B器件將要接受參考電壓10mV的變化。當數字信號和模擬信號共用返回路徑時，就會

13、出現問題。干擾將影響模擬電路的精確程度。另外一個影響地平面不等電位的因素是信號長度。一個更高頻率的信號，信號路徑的長度和信號在板卡上傳播的波長強相關。本文不重點討論，但結論是連線越短越好。綜合上面所有 理解了上面電流的基本原理，我們開始討論混合IC器件。最終要保證的是：數字信號和模擬信號不要共享返回路徑?，F在，應該理解了盡量減少數字和模擬返回路徑耦合的重要性。實際上，這也是我們的目標。如果能夠實現這個目標，數字信號對模擬信號的干擾，也就解決了。一個通常的概念是，劃分數字區(qū)域地和模擬區(qū)域地。這是個好的開始。你同時將看到，如果處理的好，在性能保持不變的情況下，我們可以填充這個分隔線?，F在，開始切割

14、地平面使用ADC器件（既有模擬信號又有數字信號）作為分析的開始，然后討論從哪個地方開始切割地平面。Figure16 示意了一個ADC器件，只有電源和地管腳被明顯標注，其他管腳僅為標注為模擬信號或者數字信號，沒指名具體功能。注意數字信號和模擬信號鄰近，模擬地管腳和數字地管腳鄰近。這是很正常的，因為芯片設計工程師必須考慮在板卡上的同樣實現。同時注意有2個數字地管腳，這是為了保證該器件的返回電流當從該器件流向其他器件時，不會出現問題。由于數字管腳和模擬管腳被分隔了明顯的2組，很容易進行地平面分隔。Figure 17 示意了地的分割，最終在數字地和模擬地之間留了一段連接在一起。劃分后，其他數字器件放在

15、分隔線一側，模擬器件放在另外一側。注意該分割基于板卡上僅有這一個混合信號器件。下面考慮布線。信號走線開始考慮一種情況，數字信號走線，跨越兩次分隔線。很明顯這樣不好，會污染模擬信號。從信號返回路徑考慮一下。大部分設計者都知道這樣走線是非常不好的。我們現在從AC信號的回流路徑來進一步分析。返回路徑應該在信號路徑下方，當遇到分隔線時將繞到單點接地的地方。因此，我們不僅會有數字返回電流流經模擬區(qū)，同時我們還創(chuàng)造了環(huán)路天線輻射信號。因此為保證切割的地能正常工作，我們要保證數字和模擬器件分別在兩個區(qū)域，對應的布線也要在相同區(qū)域。正確的布置如figure 20仔細觀察一下figure20，沒有電流想跨過分割

16、線。因此，這個分割將沒有意義，因此可以取消。電源考慮因為沒有電流流過分隔線，我們已經決定取消地平面的分隔線。但我們仍然需要考慮電源連接。如果模擬部分和數字部分供電源來自一個，電源返回路徑必須位于分割線的一側。因此DC返回電流將從單點接地處進行回流。這將導致回流路徑增大，電阻增大，電壓下降明顯。這樣的布局對于ADC吸收電流來說沒有問題，因為返回電流從地管腳流出，而地管腳又都在這個分隔點上。但如果對于其他模擬器件的返回電流將是問題，因為所有返回路徑都要繞道這個分割點。去掉分隔線如果去掉分隔線，所有模擬器件的回流都是直接的，具有最小電阻和最低電壓變化。同樣的考慮可擴展到多個電源。將多個電源的返回路徑

17、都考慮到就可以了?！咀ⅲ@僅限于電源位于分隔線的位置，如果電源必須位于板卡的上邊沿或者下邊沿，那么勢必有DC電流跨區(qū)域回流，造成不利影響。因此這種情形需要增加分隔線】多個混合器件的地平面挑戰(zhàn)當有多個混合器件時，地平面的劃分問題變得更明顯。如果有2個混合器件，還和上面一樣分割，將不能獲得單點接地。為了獲得單點接地，可以將其中一個器件旋轉180。但這個結果將導致數字和模擬區(qū)域正好相反。這將導致一個混亂的結果，數字和模擬信號交錯在一起。即使這樣可以工作，更多的混合器件呢？將無法解決。幸運的是，我們仍可以按照一片混合器件的思路思考問題。仍然數字區(qū)和模擬區(qū)分別布置，同時防止兩個器件的模擬信號也共用返回路

18、徑（與ADC連接的器件距離比距離另外一片ADC近）。與單片情形一樣，沒有電流流過分隔線。對于更復雜的情況也可以同樣考慮。考慮信號路徑如何走，并且該信號是如何并同區(qū)域內的其他信號干擾或者損壞。有時候信號分割是有用的有時受到機械尺寸的影響，比如連接器的位置，很難做到將某些信號的電路遠離被保護的電路，特別是低頻或者DC電流。這種情況下，我們將不得不采取分割平面的方法。最好在一個項目的初期，根據器件的布局和走線考慮接插件的布局位置，可以更好的避免上述復雜情況的發(fā)生。這將提高布局效率和成功率。但有時無法避免，某些電流影響其他重要電流。下圖是一個例子，根據各種接口的位置，擺放模擬器件，數字器件以及電源。我們將電源放置在左側，高頻信號的回流不會發(fā)生重疊。但是，DC和低頻信號的回流將經過地平面回到左側的電源，并且是按照最低阻抗路徑（直線路徑）。這將導致右上角數字區(qū)低頻或者DC信號的回流，將直接穿越敏感的模擬區(qū)。我們可以水平放置一