多通道采集系統(tǒng)接地方式研究

梁晨，于駿申，黃松威

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108）

關(guān)鍵字：ADC；模擬地；數(shù)字地；星型接地

0 引言

隨著高速數(shù)字信號處理的發(fā)展，對采集系統(tǒng)的輸入端處理寬動態(tài)范圍、高速實時轉(zhuǎn)換的需求日益迫切[1-2]，在高速時鐘、控制信號等惡劣的數(shù)字環(huán)境下[3-4]，特別是針對多通道接收系統(tǒng)同步工作時，如何保持ADC接收系統(tǒng)設(shè)計本身的性能指標，成為采集電路設(shè)計的關(guān)鍵[5-6]，其中在高速大電流數(shù)字回路的接地方式選擇中尤其重要[7-8]。

1 采集系統(tǒng)接地層

連續(xù)低阻抗大面積接地層對ADC模擬和數(shù)字電流環(huán)路十分重要。無論是模擬接地層還是數(shù)字接地層，作為高頻數(shù)字邏輯信號產(chǎn)生的高頻電流的低阻抗返回路徑，在電噪聲分析及消除處理中直接影響著ADC性能指標[3]。由于電路中工作電流總是流向低阻抗路徑，在電路電流環(huán)路設(shè)計中需將串聯(lián)電感與電阻降至最低。參考附圖1中模擬電路與數(shù)字電路的返回路徑，由于數(shù)字電流回路設(shè)計不合理而對模擬電路產(chǎn)生了誤差電壓及噪聲擺動。

圖1 模擬、數(shù)字電流返回路徑結(jié)構(gòu)圖

在理想情況下，ADC采集系統(tǒng)應具有一整塊或一整層接地空間，用于給信號電流提供理想的環(huán)路流通路徑，但實際情況往往不盡如人意，電路功能區(qū)間的劃分，供電系統(tǒng)的復用，電路板外形設(shè)計的限制等，往往會造成接地層阻抗不連續(xù)，相鄰大面積接地之間出現(xiàn)薄弱部分，電流返回路徑出現(xiàn)分割等現(xiàn)象，嚴重影響信號完整性。

2 模擬和數(shù)字接地層設(shè)計

在多路采集系統(tǒng)中，需使用大量并行工作的ADC混合電路，因此針對模擬電路環(huán)路與數(shù)字電路環(huán)路最好使用分離的接地層，將兩者間的交流容性耦合降至最低。在多板卡設(shè)計中，利用接收電路母板，將分離模擬接地層與數(shù)字接地層物理分開，相互分離直至系統(tǒng)供電電源的星型接地點處。

2.1 模擬接地層

隨著ADC技術(shù)的發(fā)展，目前低數(shù)字電流的ADC及DAC可視為模擬元件進行設(shè)計分析，在模擬電路部分，電路輸入端連接的運算放大器和基準電壓源需要去耦連接至模擬接地層，從而降低ADC輸入端與基準參考值的噪聲耦合。參考附圖2，雖然ADC芯片內(nèi)部分為模擬電路與數(shù)字電路兩部分，分別對應模擬接地（AGND）與數(shù)字接地（DGND），但其內(nèi)部因工作電路參考點唯一性要求，實際上模擬與數(shù)字電路是必須相連通的，即AGND與DGND通過大面積鋪地直連的方式連接在一起，統(tǒng)一接至AGND。作為ADC模擬電路的供電電源，同樣也是噪聲的輸入源，對于低功耗和便攜式設(shè)計的需求，使得在電源設(shè)計上會優(yōu)先選擇開關(guān)電源而不是傳統(tǒng)LDO，所以在模擬電路電源設(shè)計上需要提高其電源抑制比（PSRR-ac），在接地和布局上需保證電源回路接地層完整且連續(xù)，電源輸出端和ADC供電端需增加去耦電容連接至模擬地。

圖2 多路ADC 采集模塊處理流程

2.2 數(shù)字接地層

在ADC芯片內(nèi)部數(shù)字電路的設(shè)計上，需要減少高速數(shù)字電流對系統(tǒng)的噪聲影響，低電壓供電、差分輸入、輸出信號，緩沖寄存器隔離總線噪聲，數(shù)字供電磁珠隔離、去耦接地等操作，可進一步降低ADC高速數(shù)字電路工作時，對模擬端引入高頻噪聲影響。參照附圖2，數(shù)字端電流噪聲回路通過數(shù)字電源端與數(shù)字接地端去耦電容形成最短環(huán)路，降低系統(tǒng)高頻電噪聲影響。數(shù)字供電端通過磁珠與模擬供電隔離，但來源于模擬供電，同樣也需要回流至模擬接地端，故數(shù)字接地端與模擬接地端需采用最短路徑連接方式，降低回流電流及其波動對模擬電路的影響。在ADC數(shù)字電路與模擬電路部分，本質(zhì)上講供電均為模擬電源供電，接地層均為模擬接地層。

2.3 模擬和數(shù)字接地層分離

在實際的工程應用中單路的采集電路設(shè)計與多路的采集電路設(shè)計往往會有較大的區(qū)別，尤其是在接地設(shè)計上會出現(xiàn)較大分歧，單通道的ADC電路可簡單地劃分出數(shù)字地與模擬地，通過簡單的單點接地方式，從而達到將數(shù)字信號與模擬信號隔離的效果，具體如附圖3所示。但在多通道采集電路中，這種方法難以適應。這時需要針對模擬與數(shù)字電路使用分離的接地層，在物理上分離較敏感的模擬電路與產(chǎn)生噪聲較多的數(shù)字電路，通過避免重疊將二者之間的高頻交流串擾與容性耦合降至最低。相互分離的數(shù)字接地層與模擬接地層通過母板構(gòu)成相應的接地網(wǎng)絡(luò)，擴展延伸至多板卡、多系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，最終通過位于供電電源的接地點處相連，多條接地鏈路需滿足大面積且連續(xù)的低阻抗特性。

圖3 模擬與數(shù)字接地層分離方式

2.4 模擬和數(shù)字接地層連接

通常情況下，采用數(shù)字地與模擬地相互分離的方式，將ADC中AGND與DGND連接起來，且連接點為模擬接地層與數(shù)字接地層的交點，高噪聲數(shù)字電流通過數(shù)字電源流入數(shù)字接地層， 返回數(shù)字電源形成環(huán)路，與電路板模擬部分隔離。但在多板卡復雜混合電路中，很難通過采用器件手冊的典型連接布局方式解決問題，對于低數(shù)字電流的混合器件，由于數(shù)字瞬態(tài)電流流入去耦電容與DGND間的環(huán)路，而未流經(jīng)模擬接地層，模擬與數(shù)字接地層之間的噪聲雖然會降低數(shù)字接口上的噪聲裕量，但使用低阻抗數(shù)字接地層且保持在較低水平下，返回至系統(tǒng)電源接地點后，不會對系統(tǒng)性能造成不利影響。

3 接地與去耦設(shè)計

在多板卡采集系統(tǒng)中，通常采用專用的PCB母板作為采集板卡之間互相連通的有效途徑，母板多引腳（一般不少于35%）專用接地且PCB大面積接地敷銅，形成低阻抗接地層。一般采集系統(tǒng)的接地方案主要有“多點”接地方式與“星型”接地方式兩種。

3.1 “多點”接地設(shè)計

參考附圖4，在“多點”接地的采集系統(tǒng)中各采集板卡與母板，可通過多點連接至機殼接地，系統(tǒng)中各個接地環(huán)路，通過機殼擴散至各自的最低阻抗返回路徑。此方法常見于全數(shù)字系統(tǒng)，對于低數(shù)字電路的接地電流，在相對較低且可順利擴散至大面積接地外殼時，通過設(shè)備外殼構(gòu)造接地等電勢層，將因數(shù)字電流在回流路徑上產(chǎn)生的干擾信號降至最低，模擬電路也通過外殼接地層回流至模擬電源接地點。在構(gòu)造可多處接地的機殼、背板等金屬板殼時，需保證接觸點具有良好的電氣接觸，可通過自攻螺絲壓接金屬板、咬合墊圈等措施保證接觸性能良好。

圖4 “多點”接地方式結(jié)構(gòu)圖

3.2 “星型”接地設(shè)計

參考附圖5，“星型”接地的采集系統(tǒng)通常用于在單板就需將模擬與數(shù)字系統(tǒng)相互分離的高速混合電路。在大量高速數(shù)字信號的混合電路中，敏感的模擬電路系統(tǒng)必須從物理上與高頻噪聲干擾信號相隔離，避免接地路徑重合而產(chǎn)生容性耦合，模擬接地層與數(shù)字接地層相互獨立至連接器、母板、背板，最終在系統(tǒng)電源接地處完成系統(tǒng)接地點連接，模擬、數(shù)字接地層在PCB中應保證大面積敷銅，與電源的連接方式應保證具有足夠多的低阻抗線段進行緊密連接，如寬體銅質(zhì)編織帶，從而獲得最小的感抗與阻值。

圖5 “星型”接地方式結(jié)構(gòu)圖

在每塊采集電路板單元中，通過背靠背肖特基二極管保證模擬接地層與數(shù)字接地層不會產(chǎn)生較高壓差，避免擊穿敏感器件，同時低電容與低壓降可防止模擬與數(shù)字接地層產(chǎn)生交流耦合。在兩塊接地層之間，若出現(xiàn)高于300mV的直流或交流電壓，將會對敏感芯片造成損壞，同時對于邏輯門電路的控制也會造成誤操作及閉鎖等故障，這時應用于鐵氧體磁珠的替代方案雖然會增強高頻噪聲隔離和去耦能力，但在高電流的飽和情況下將不適用。

3.3 低頻和高頻去耦設(shè)計

在采集系統(tǒng)的去耦設(shè)計中，首先應對每個進入電路的電源，通過高質(zhì)量電解電容耦合連接至低阻抗接地層，降低通過電源線路耦合進入系統(tǒng)的噪聲，此外，在每個ADC芯片電源引腳處，也需特別針對高頻噪聲進行去耦處理。針對典型ADC芯片電源管腳旁的0.1uF陶瓷電容，通過過孔連接至接地層，再由芯片GND接地管腳旁的接地過孔完成電流環(huán)路，將去耦電容的接地路徑上的電感量降至最低。供電電源串接的鐵氧體磁珠會增強高頻噪聲隔離和去耦效果，但在高電流工作情況下，需保證磁珠不飽和且不在非線性區(qū)間。

3.4 PCB接地層布局設(shè)計

多板卡采集系統(tǒng)中，每塊PCB電路板均應至少鋪設(shè)一層專屬接地層，對于復雜電路中出現(xiàn)的電源跨越、功能配置電路等因過孔、通孔造成的接地層阻抗不連續(xù)，或出現(xiàn)接地“孤島”等電流返回路徑被切割現(xiàn)象，需增加PCB層數(shù)，保證接地層不低于85%的接地面積。對于混合電路PCB設(shè)計中模擬地與數(shù)字地需單獨設(shè)置專屬的接地層網(wǎng)絡(luò)，二者之間應盡量避免投影重合，減少因板級間電容耦合，造成高頻數(shù)字信號耦合至模擬電路。

參照附圖6，采集系統(tǒng)PCB布局設(shè)計需將系統(tǒng)中所有敏感區(qū)相互隔離，且盡量縮短信號路徑，將高電平模擬信號與低電平模擬信號隔離，且二者均遠離數(shù)字信號，防止不同信號相互干擾，降低系統(tǒng)噪聲。此外對于系統(tǒng)采樣時鐘需特別注意其走線及返回路徑位置，盡量與數(shù)字、模擬系統(tǒng)隔離開，避免對模擬信號產(chǎn)生噪聲影響的同時還需防止數(shù)字電路對其產(chǎn)生影響。在多板卡系統(tǒng)中連接器上的信號應通過接地引腳相互分離，形成法拉第屏蔽效應，減少相互之間的耦合。

圖6 PCB 結(jié)構(gòu)布局示意圖

4 數(shù)字信號影響分析

采集系統(tǒng)在正常工作時，時鐘信號、數(shù)據(jù)傳輸信號、控制信號等高速數(shù)字信號相對于模擬電路而言，都是嚴重的干擾信號源，如何減少數(shù)字信號對模擬信號的影響往往決定了采集系統(tǒng)的性能指標。

4.1 采樣時鐘影響分析

采樣時鐘在采集系統(tǒng)工作時，其定頻干擾和輻射噪聲始終貫穿于整個電路系統(tǒng)，產(chǎn)生時鐘的振蕩器在因相位噪聲而出現(xiàn)抖動時，會將孔徑抖動等干擾信號及其高次諧波耦合至ADC前端的模擬輸入與輸出信號中，增大噪聲水平和失真度。因此采樣時鐘發(fā)生器及電路應與高噪聲數(shù)字電路隔離開，并接地去耦至模擬接地層，但對于由FPGA、DSP等數(shù)字芯片產(chǎn)生的時鐘信號，必須由數(shù)字接地層傳遞至模擬接地層，時鐘噪聲直接添加至兩層接地區(qū)間，產(chǎn)生過度抖動和干擾諧波，大大降低了采集系統(tǒng)的信噪比。ADC差分時鐘信號輸入，外加高速驅(qū)動芯片緩沖隔離、RF變壓器耦合隔離、低電平ECL、LVDS有源差分驅(qū)動等方式，可以將高速數(shù)字時鐘產(chǎn)生端（數(shù)字地）與ADC時鐘輸入端（模擬地）進行隔離，從而降低干擾信號耦合與低相位噪聲影響，減少系統(tǒng)信噪比影響。

4.2 數(shù)字信號輸入、輸出分析

多路ADC數(shù)字信號在同步工作時，數(shù)字端口會在瞬時扇出較大電流，造成電路亞穩(wěn)態(tài)工作，在出現(xiàn)誤碼的同時，瞬時大電流流經(jīng)匹配不連續(xù)區(qū)間處，會產(chǎn)生諧波及干擾，多通道間也會產(chǎn)生串擾及耦合，影響ADC前端模擬電路。因此在數(shù)字信號驅(qū)動設(shè)計時，需通過串聯(lián)匹配電阻，降低驅(qū)動電流，減少電路同時扇出時的電流沖擊，同時利用數(shù)據(jù)緩存器，可將轉(zhuǎn)換器數(shù)字線路與數(shù)據(jù)總線兩端噪聲隔離開，減小ADC輸入、輸出端驅(qū)動電流接地環(huán)路范圍，減少數(shù)字開關(guān)電流，降低耦合至ADC模擬前端電路的可能，ADC電源端去耦連接至模擬地，邏輯電路端應去耦連接至數(shù)字接地層。

5 試驗及總結(jié)

在實際工程應用中，以2塊采集板共180路AD7690構(gòu)成的多通道采集系統(tǒng)，采用ADC數(shù)字接地端接DGND，F(xiàn)PGA的時鐘、控制信號未加緩存器，ADC輸入端采用單端輸入方式，PCB數(shù)字接地層與模擬接地層未明顯區(qū)分的設(shè)計方式，產(chǎn)生的結(jié)果為在模擬電路高增益下出現(xiàn)電路震蕩，F(xiàn)PGA時鐘信號耦合至ADC輸入前端，造成接收系統(tǒng)的短路噪聲指標在-107dB～-95dB之間，且出現(xiàn)區(qū)域性通道明顯不一致，通過改進設(shè)計，將電路板中模擬地與數(shù)字地明顯區(qū)分，采用模擬、數(shù)字接地層單點電阻連接方式，ADC模擬接地與數(shù)字接地端均鋪設(shè)大面積模擬接地層，F(xiàn)PGA的時鐘、控制信號均采用緩存器加串聯(lián)匹配電阻的方式，且盡量優(yōu)化高速信號走線方式，ADC輸入端改為差分輸入，改進后的接收系統(tǒng)短路噪聲指標為-129.2dB～-129.5dB之間，各路通道指標保持高度一致。

通過實際對比測試，在多通道高速采集系統(tǒng)中，在充分理解ADC內(nèi)部工作原理的情況下，應用“星型”接地方式，保證ADC模擬接地層區(qū)域阻抗連續(xù)，區(qū)分PCB中模擬、數(shù)字接地層，對模擬、數(shù)字電路及其環(huán)路在物理空間上進行劃分，對ADC電路電源、參考電壓進行去耦設(shè)計，同時，通過緩存器、匹配電阻、差分信號等手段，盡可能地降低高速數(shù)字信號對模擬電路的影響。在實際設(shè)計中可先區(qū)分模擬與數(shù)字接地層，并預留跳線連接，并在對電路的測試分析過程中，選擇合適的接地方式。