引言
在混合信号系统中，接地设计至关重要，因为它会直接影响到系统的噪声性能、信号完整性和系统稳定性。本文将探讨接地的基本概念，尤其是在多转换器和多板系统中的接地问题。接地方案的选择与布局直接关系到电流回流路径、噪声干扰及信号质量。
1. 接地平面的拆分
在设计混合信号电路时，常常需要对接地平面进行拆分，将模拟地与数字地分开，以减少数字信号对模拟信号的干扰。然而，这样的拆分可能会导致接地电流回流路径的形成，进而产生噪声和辐射问题。
1.1 拆分平面的问题
当地面被拆分且信号线横跨拆分区域时，回流电流将会沿着一个大的环路流动，如图1所示。高频电流在这种大环路中流动时，会产生辐射并增加地面电感，这对低噪声模拟信号是非常不利的。如果这两个平面只在电源处连接，那么回流电流必须通过电源地回流，这会导致一个非常大的环路，并且模拟与数字地之间形成了一个有效的偶极天线，这对信号的完整性也是非常不利的。
1.2 如何改善拆分平面的接地设计
为避免产生大的回流环路，最好的方法是保持地面平面的连续性。如果必须拆分接地平面，可以通过在一个位置将两地面连接起来，形成回流电流的桥接路径，如图3所示。这种方法可以有效减少信号线横跨拆分区域时产生的大环路，保证回流电流直接沿着信号线下方流动，从而使得回流环路面积变得非常小，显著降低噪声。
2. 分区接地
另一种常见的接地设计方法是将印刷电路板（PCB）分成模拟部分和数字部分。每个部分使用独立的接地平面，信号线路也仅在各自的区域内走线，从而避免数字电流通过模拟部分的接地平面。
2.1 分区接地的优点
通过将模拟信号和数字信号分别隔离，数字回流电流将不会进入模拟部分，保持了模拟部分的低噪声环境。图4展示了拆分接地平面与分区接地平面的对比。分区接地的最大优点是，数字信号与模拟信号的相互干扰得到了有效抑制，从而提高了系统的整体性能。
2.2 分区接地的挑战
然而，分区接地也有其局限性，特别是在信号被错误地引入到不该有的区域时（例如模拟信号被引入数字区域），会破坏原本的接地设计，导致系统性能下降。因此，严格的信号走线规则和布局规划非常重要。
3. 多数据转换器的接地设计
在多数据转换器的系统设计中，通常会遇到模拟和数字地需要在同一个印刷电路板（PCB）中连接的问题。理想的做法是，在每个数据转换器处连接模拟地和数字地，并将两者的接地平面连接在一起，形成系统的星形接地点。
3.1 单板系统中的接地
如图6所示，在简单的单板系统中，将模拟地和数字地连接在一起，创建一个星形接地点，所有电压都是相对于这个接地点来测量的。这种设计可以有效减少地面噪声对模拟信号的干扰，保证系统的稳定性。然而，在多卡系统中，这种做法就会引发地环路，影响系统的性能。
3.2 多板系统的接地
在多数据转换器系统中，多个PCB的接地平面通常会在多个地方连接，导致可能出现地环路。在这种情况下，最佳的解决方案是使用一个母板作为多个子板之间的连接背板，确保有一个连续的接地平面连接到背板上，并在母板上有足够的接地针脚用于与每个子板的接地平面连接。
4. 多卡系统的接地方案
针对多卡混合信号系统，接地设计尤为复杂。常见的接地方法有两种：
多点接地：将背板的接地平面通过多个点连接到机箱接地，从而分散各个回流电流路径。这种方法适用于数字电流较小的系统，但必须保证良好的电气接触，特别是在机箱材料为阳极氧化铝时。
单点星形接地：在高频混合信号系统中，经常使用单点星形接地方法，即在每个电源模块或转换器处，所有接地都连接到同一个接地点，避免多个接地点之间的干扰。
5. 结论
无论是在单卡系统还是多卡系统中，接地设计都需要特别注意。在多数据转换器系统中，拆分接地平面和分区接地是常见的设计方法，但要确保合理的布局和严格的走线规则，避免产生不必要的噪声和干扰。对于多卡系统，最好的方法是使用母板作为背板，结合适当的接地方式，确保系统的稳定性和性能。