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混合信号芯片成功实现PCB接地 第1部分：电流的原理---凯利讯半导体

2019-07-14 07:49发布

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　　板级设计人员经常担心处理具有独立模拟和数字接地的集成电路(IC)的正确接地方式。两者是否应该完全分开，不要碰?他们是否应该在地面连接一个切割点来强制这个单点或“麦加”地面?如果有几个集成电路要求模拟和数字接地，那么如何才能实施麦加? 　　本系列三篇文章包含有关混合信号设计的正确印刷电路板(PCB)接地的基本教程。对于大多数应用来说，在地平面上没有切口的简单方法允许用这种IC成功的PCB布局。下面我们将学习这个方法，这里使用的基本原理可以扩展到处理更复杂和更困难的应用。 　　我们从文章的第一部分开始介绍基础知识：电流在哪里流动。在第2部分中，我们将学习如何放置组件和路由信号走线，以最大限度地减少串扰问题。在第3部分中，我们继续考虑电源电流，最后讨论如何将我们所学的内容扩展到具有多个混合信号IC的电路。 　　遵循当前 　　要记住，我们把连接的电气或电子元件集合称为“电路”，因为电流总是从一个电源流向一个负载，然后通过一条返回路径返回 - 这是一个圆圈。记住电流流向哪里，既要做好预期工作的方向，又要保证产生的返回电流，这对于使任何模拟电路都能正常工作至关重要。 　　而且，是的，所有的数字电路都是模拟电路。他们是我们赋予意义只有两个国家的子集。晶体管和其他元件以及电路中的电流和电压仍然以与其他模拟电路相同的物理原理工作。它们将以与其他电路相同的方式诱发返回电流。 　　
　　图1：简单连接是从一个IC到另一个IC的直接连接。 　　图1显示了设计中最简单的连接：从一个芯片到另一个芯片的直接连接。作为一个理想的电路在理想情况下，1个 IC1的输出阻抗将是零和IC2的输入阻抗将是无限的。因此，不会有电流流动。然而，在现实世界中，电流将从IC1流入IC2，或者相反。这个电流发生了什么?它只是填满IC2或IC1?这是一个荒谬的修辞问题。 　　实际上，在IC1和IC2之间必须有另一个连接，以允许从IC1流入IC2的电流返回到IC1，反之亦然。这种连接通常是接地的，通常不会在原理图的数字部分显示(图1)。如图2a所示，最多只能使用地面符号。图2B显示了电流的完整电路。 　　
　　图2：图1所示的简单电路，其中地面暗示(2A)和地面电流路径(2B) 　　当然，集成电路本身不是电流的来源。电路的电源是。为了简单起见，我们假设一个单一的电源轨，并将电源视为电池。为了完成，我们绕过了电容器IC的供应。 　　所有直流电流最终在电源处开始和结束。图3显示了当IC1输出指示的电流时，直流电流的完整电路。 　　
　　图3：IC1采购直流电流。 　　对于高频信号(主要由旁路电容和电源阻抗决定的“高电平”)，电流以旁路电容开始和结束。图4显示了高频信号电流的流向。 　　
　　图4：IC1提供高频信号电流。 　　记住输出并不总是电流的来源是很重要的。例如，考虑来自IC1的输出连接到具有上拉电阻到V DD的IC2的输入的情况。图5显示了这种情况下的瞬态(高频)电流，电流从C2通过IC2上拉到IC1的低端FET导通，然后通过IC1的接地导线到地线的C2。虽然IC1是“驱动”器件，通过用FET短接其输出引脚的电流，电流源从C2到IC2。 　　
　　图5：IC2采购高频电流。 　　如果图5中IC1的输出引脚长时间处于低电平状态，那么将被引出的静态电流将直接来自电源(图6)。 　　
　　图6：IC2源直流电流。 　　在我们讨论这个基础的时候，这个模型已经有些简单了。我们方便地将信号划分成低频和高频，就好像两者之间有明确的边界。 　　事实是，这两条路都经常涉及到。在图6中，在IC1输出初始转换到低电平状态时，电流来自IC2的旁路电容。这是因为IC1的输出从IC2的输入引脚“要求”接近瞬时的电流，IC2的输入引脚将电流从其电源引脚拉出。 　　为了提供快速的电流需求，我们在IC2上放置了一个旁路电容，其电源和接地引脚的连接非常短。电源不能提供这种瞬态电流，因为它不是非常接近IC，因此它具有相当大的电阻，更重要的是它与IC2的电源引脚之间的电感。 　　这是在IC上放置旁路电容的全部原因：提供电源不能提供的瞬态(高频)电流。随着瞬态稳定，越来越多的电流来自电源，越来越少来自旁路电容器。 　　我们进一步简化这个概念，说直流电流来自电源，交流电流来自旁路电容器。我们当然知道，这比这个解释要复杂一点。 　　当我们考虑更多的动态情况时，我们发现所有的电流流经上述四条路径的组合。任一方向的公共路径从源极组件(IC1或IC2)的电源引脚开始，通过该组件并通过互连到达另一个组件(IC2或IC1)，然后通过第二个组件到达其接地引脚。 　　电流如何完成电路从地面到源极引脚的电源引脚取决于信号的速度。直流电流全部返回到电源的地线; 它将从电源的电源引脚流到源组件的电源引脚。高频信号电流将返回到源极元件旁路电容的接地引线，旁路电容也将电流提供给电源引脚。 　　实际上，两条路径总是受到影响，直流路径主导低频信号。请记住，即使数字信号以较慢的速率(例如，1Hz的方波)转换，状态转换也会导致瞬态电流与频率更高的信号一样快。他们根本不经常发生。 　　当然，我们正在处理一个好的设计，所以旁路电容和IC电源和接地引脚非常接近。正确地绕过这样的设计师的工作要容易得多。在考虑PCB上信号电流的流动时，我们通常可以将旁路电容和IC视为一个整体。 　　最后要注意，高速交流信号的功率电流从旁路电容到旁路的IC传输很短的距离。通过集成电路本身的路径很短。电流回路的绝大部分距离是从一个芯片的输出到另一个芯片的输出以及接地返回路径的互连。 　　查看图4和图5，并考虑如果IC隔开更远的距离会发生什么情况。旁路电容器靠近各自的IC，并且所有的距离被添加到互连和地面返回。对于更高速度的信号电流，如果发生问题，我们会发现问题。
　　数字和模拟电源和接地 　　在上面的电路图中，我们没有将IC和信号识别为数字或模拟信号。IC1可以是运算放大器，低侧FET作为输出级的下部; IC2上的引脚可以作为模数转换器(ADC)的输入。对于标准I / O引脚，IC1可以轻易成为具有推挽输出的微控制器; IC2输入可以是数模转换器(DAC)上的控制引脚。 　　我们提到ADC和DAC，因为这些通常是引起模拟和数字信号接地问题的组件。 　　模拟电路倾向于以平滑，连续的方式变化的信号，并且电压或电流的微小变化是有意义的。数字电路倾向于从一个状态突然转换到另一个状态，产生电流脉冲; 他们往往有一个宽阔的电压窗口映射到一个单一的状态。正是这些转换过程中的这些相对较大，尖锐的数字电流脉冲，如果两者之间没有充分分离，就会压倒精确的模拟信号。
　　最小阻抗的路径 　　这是一个很好理解的原则，即电流流经阻力最小的路径，这个概念已经进入日常语言。不幸的是，这只适用于直流电流。说明原理的更完整和准确的方式是电流以最小阻抗的路径流动。 　　对于DC，只有阻抗的电阻部分很重要。在一个坚实的地平面的情况下，谚语的直线是阻力最小的路径。事实上，目前也将流入更多的间接路径。 　　通过任何特定路径的电流量将与距离成反比，因为每单位长度的地平面电阻非常均匀。因此，最大的电流将流入阻力最小的直线路径，并且越来越少的电流将流经越来越偏离该直线路径的路径。为了简单起见，我们将直流电流表示为在直线路径上流动，并且理解为具有最大电流沿着该直线移动的相当大的电流分布。 　　对于我们这里最重要的信号，有些速度的交流信号，我们也必须考虑阻抗的反应部分。 　　对于具有与信号层相邻的接地层的PCB​​，我们具有由迹线的几何形状确定的明确的阻抗，将迹线与接地平面分开的板层的厚度，板材，和信号的频率。所有这些条款的数学细节超出了本文的范围。幸运的是，为了使用这些概念并获得好的结果，没有必要磨砺所有的数学。本文末尾的参考资料很好地涵盖了细节。 　　考虑两个IC之间的单一迹线的原始非常简单的例子(图1)。这一次，我们将它们放置在一个PCB上，采用间接路线(图7)。 　　
　　图7：简单的间接追踪 　　现在假设一个坚实的地平面，在每个集成电路接地点附近有接地连接点。返回电流必须从一个IC的接地连接到另一个的接地连接。由于我们有一个坚固的地平面，所以阻力最小的路径以及直流电流的路径将是一条直线(图8中的蓝 {MOD}箭头)。在高频情况下，走线与其下的接地平面之间的互感使走线正下方的阻抗最小的接地路径(图8中的红 {MOD}走线)。 　　
　　图8：接地回路电流路径显示阻抗最小的路径(蓝 {MOD})和阻抗最小的路径(红 {MOD})。 　　但是什么是“高频?” 经验法则2是几百kHz或更高的频率具有跟随信号轨迹下的路径的返回电流。我们认为“高”的实际频率是由迹线，电路板几何形状(迹线宽度，层间距离)和电路板材料(介电常数)决定的。为了追踪回报，在大多数情况下，我们不必担心这是什么频率。 　　对这种现象的数学处理是非常复杂的，对于这个作者来说，非常混乱。幸运的是，布鲁斯Archambeault博士发表了关于此事3和慷慨地提供了以下数字，其直观地展现这一主题远远超过一整页的方程可以永远做的更好。 　　图9显示了在地平面上的示例“U”形轨迹的几何形状。 　　
　　图9：这个例子的物理几何。 　　然后，Archambeault博士对不同频率的信号进行电磁仿真，以了解电流流过的路径。当然，每种情况下的正向信号电流都受到跟踪的限制。但是，返回地电流可以在地平面的任何地方流动。 　　图10显示了1kHz信号流的电流。如黄线所示，接地电流主要是直接从负载流向电源。少量的接地电流沿着信号路径流动(浅蓝 {MOD})，而更少的量则流入这两个路径之间，如大部分平面的深蓝 {MOD}所示。 　　
　　图10：1kHz地电流从负载流向直流源。 　　图11示出了用于主要沿信号线中流动的50kHz的信号(迹线的路径继宽绿线)，以及在较小程度上的电流，直接从负载到源(较暗，宽，绿 {MOD}从两端线的痕迹)和之间。中间区域是浅蓝 {MOD}而不是深蓝 {MOD}，表明最小电流。 　　
　　图11：50kHz地电流到处流动。 　　最后，图12显示了1MHz信号的电流路径。几乎所有的返回地电流都沿着信号走线的路径流动。 　　
　　图12：1MHz的接地电流跟随信号走线。 　　正如人们所期望的那样，返回电流确实在比迹线本身更宽的平面上扩散。这些较高频率的电流分布由以下等式给出。4 　　
　　哪里： 　　J(x)是电流密度; 　　我是总电流; 　　w是走线宽度; 　　h是板层厚度(迹线在平面之上的高度); 　　x是距离我们测量电流的正下方多远，如图13所示。 　　
　　图13：电路板横截面 　　重要的是要注意，等式1与频率无关(再次假设频率足够高，如上所述)。当我们评估方程1时，我们得到一个高斯分布，其中一个峰值正好在轨迹的中心。 　　如果我们将x = -h到x = h之间的电流相加，我们发现总电流的50%在这个范围内。此外，80%的电流在x = -3h和x = 3h之间。正如人们所期望的那样，板层越薄(即走线越靠近平面)，电流分布就越紧密。
　　下一步是什么? 　　在理解电流流动的基本原理的基础上，我们现在准备将它们应用到更复杂的电路中。在本系列的下一篇文章中，我们将学习如何将这些基本原理结合起来，以查看电流在实际电路中的流动情况。我们将看到如何使用这些知识来创建避免共同接地问题的PCB布局。

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