如何正确接地ADCs

ADC（模数转换器）是非常难以驾驭的组件，随着采样率和分辨率的增加，工作难度也随之增加。ADC的分辨率和采样率对准确信号重建提出了挑战，但有一个领域对ADC性能的影响尤为显著：PCB布局中的地线定义。

ADC引脚的标注方式以及一些较旧的应用说明书描述ADC使用方式，可能导致布局和布线错误，进而将噪声耦合到ADC输入端。结果就是由于输入信号的伪随机波动，导致信号重建不正确。当PCB布局不允许由于堆叠、地线的物理分离或两者都有而正确接地ADC时，也可能产生强烈的电磁干扰（EMI）。

在本文中，我将就ADC引脚及其在接地方面的含义提供一些背景。在这一领域的EMC专家会同意：在大多数混合信号系统和大多数ADC中，最佳方法是使用统一的接地平面，而不是物理分离的接地。

错误的引脚命名导致ADC接地不良

要了解为什么会有这么多关于ADC接地指南的错误实施，看一下ADC的典型引脚布局会有所帮助。如果你是一名新手设计师，而且你从未阅读过ADC的数据手册，你可能会惊讶地发现不同半导体供应商之间的指南相互矛盾。

举个例子，看一下德州仪器的ADS1274/1278。在这个部件的引脚布局中，我们有两个位于组件对侧的分开的引脚，分别标记为AGND和DGND：

多个GND引脚的存在，以两个不同的名称，引用两种不同类型的信号（模拟和数字），导致了一个混淆，即ADC应该用不同的接地电位进行接线，这些接地电位必须是断开的。你有时会看到的另一个指南是只在一个点连接它们。

如果你在数据手册的第6页下面看这个图，你会看到AGND的以下引脚描述：

AGND：使用单一平面连接到DGND

稍后在数据手册中，TI提供了一个应用示例，其中两个接地直接连接。没有网络连接，没有单点接地，只有一个用于接地ADC的单一统一平面。

对于初学者设计师来说，可能会造成更多混淆的一个事实是，其他ADC只会使用单个接地引脚。德州仪器的另一个例子是ADS7138。这是一个较小的ADC，它只有一个用于GND的引脚。下面展示了引脚布局：

如果你带着模拟和数字接地应该完全分开的想法进入这个组件，那么当你发现数据手册第4页上的这条指导原则时，你可能会感到惊讶：

GND：电源的接地；所有模拟和数字信号都参考这个引脚电压

当你看到“参考这个引脚电压”的陈述时，他们是在告诉你模拟供电和数字供电使用这个相同点作为它们的测量参考。

其他半导体供应商并不总是给出相同的正确建议。相反，他们会推荐设计采取两种可能的方向之一：

1. 将AGND引脚和DGND引脚仅在一个点连接
2. 使用不同的AGND和DGND网络，这些网络不在任何地方连接

#2基本上是一个无关紧要的观点；除非你使用了一个隔离的ADC（见下文），否则这些引脚之间内部就有连接；由于ADC内部的这种连接，你实际上永远无法分离地面区域。

#1可能是可以接受的，因为至少它设定了一个统一的地面电位，但它通常实施不正确。在这种情况下，你将永远无法在两个平面区域之间的间隙上布线，因此它限制了你的布局和布线自由度。#2基本上与#1相同，出于同样的原因是一个糟糕的选择，除非在特定情况下需要模拟部分和数字部分之间的隔离（见下文）。

在薄介电材料上进行平面规划可以防止噪声耦合

对于同时与数字部分操作且需要统一接地的接口板，我推荐从具有薄外部介电层和L2/L3上的接地平面的4层堆叠开始。这为数字信号在相邻接地平面中提供了强耦合的返回路径，这将有助于防止开关噪声回耦合到设计的模拟侧。

这样，您就不会遇到使用物理分离的接地平面来尝试防止噪声耦合到ADC上的模拟馈线中的问题。相反，应专注于组件的放置，因为这将有助于防止不同电路之间的噪声耦合。这就是上面显示的ADS1274/1278的示例引脚图变得重要的地方；它们本质上已经将引脚定位在组件的不同区域，因此很容易实施一些最佳实践，以便将信号引入模拟和数字接口。

通过向组件的相反方向布线，您在数字和模拟板块之间留出了充足的空间。这是防止混合信号串扰的最佳方式。

现在让我们来看看ADS7138（见下文）。这个组件有一个I2C接口，并且注意到数据引脚（SDA）紧挨着其中一个模拟输入。为了确保与这个组件的耦合尽可能小，我会将这两个信号以相反的对角方向引入电路板。在使用靠近SDA引脚的输入之前，我还会先使用所有其他的模拟输入。

不要用铁氧体连接电源轨道并断开地线

另一个不好的接地建议有时会在模拟和数字电源输入引脚之间的电源连接时提出。以下展示了一个例子，使用了Maxim Integrated的MAX11900。

这可能是我见过的最糟糕的ADC相关电源和接地建议，然而某些半导体供应商在他们的网站上有15年历史的应用笔记提供这种建议。实际上，我见过一家公司推荐上述错误的建议类型，然后在同一组件的数据手册中，他们推荐正确的连接方式，不使用铁氧体且只用一个地平面。

这种建议的思路是将模拟电源轨（假设有一个单独的引脚用于参考）与数字电源轨隔离开来。其目的是将任何可能存在于数字电源轨上的噪声（这可能包括许多不同的组件）限制在模拟电源轨之外，以防数字电源轨因快速切换接口（如SPI）产生波纹。

你会看到同样的建议，即在大型集成电路上隔离模拟电源轨（例如，在FPGA或处理器上的PLL参考引脚）与同电压的数字电源轨隔离。对于像PLL这样需要高速切换的东西，我会推荐进行仿真，以真正了解在预期的噪声带宽内，模拟引脚上耦合的噪声情况。

1. 如果你想要一个与隔离的ADC（见下文）一起的隔离模拟侧，那么只需物理上将模拟电源轨分开。如果你物理上分开这两个电路，那么直到许多GHz频率，你几乎无法获得更高的阻抗了！
2. 如果你需要这些建议中暗示的精度级别，你应该在ADC信号输入上使用电荷补偿电路，并使用具有自己的低通滤波器的专用精密参考/供电。

“较差”和“更好”的建议是您在具有模拟供电输入的大型处理器中使用的相同策略，用于其PLL轨道。我看过一篇较旧的演示文稿，建议您保留铁氧体，然而，我们在这个博客上还有另一篇文章显示了相反的证据。对于比例参考，可以使用“更好”的建议，其中数字部分被降低以设置模拟参考值。

在隔离系统中的ADCs?

在这种系统中，整个要点是通过使用物理上分离的平面和带精密参考的独立电源，完全隔离系统中大部分的模拟信号路径。然而，这是具有挑战性的，因为您本质上是尝试将您的模拟输入跨越隔离间隙耦合到模拟接口中，而这仅在使耦合变得困难的低水平下操作。

这里你有两个选择：

• 使用一个隔离的ADC，完全将模拟侧和数字侧分开，并且不连接任何地线
• 使用光耦合器或变压器将采样信号跨隔离间隙传输

以太网中的变压器模块和终端电路就是这样做的一个例子；看看本文中的电路图，看看你是否能找到我提到的隔离区域。

有一次，我设计了一个带有ADC的小型混合信号板：在纳安培电流水平下进行非常低的信噪比电压测量，运行频率低。在这个系统中，低水平噪声是一个很大的问题，而且我们有独立的设备用于源、测量和采集，这意味着存在地线环路问题。我们在采样前放大信号，使信号占据设备中的大部分动态范围，输出的串行数据被送到DAQ卡上，以便在计算机上收集。

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