아날로그 그라운드(Analog Ground)

 ADC 혹은 DAC와 같은 아날로그와 디지털이 혼합된 mixed IC의 경우, 칩 내부에서 아날로그 영역과 디지털 영역이 나누어져 있다. 따라서 칩 내부의 아날로그 회로는 analog ground (AGND)를 reference하고 디지털 회로는 digital ground (DGND)를 reference한다. 칩 내부의 두 reference는 서로 물리적으로 분리되어 있다. 그리고 아날로그의 경우 내부에 필터를 내장하고 있을 수 있다. 

 칩 내부에서 아날로그 reference와 디지털 reference가 나누어져 있는 있유는 디지털 파트 때문에 발생되는 노이즈가 아날로그 파트로 넘어가서 발생되는 오류를 막기 위함이다. 예들 들어 ADC의 디지털 출력이 low로 되면, DGND 핀에 빠르고 큰 전류가 흐르게 된다. 이것은 DGND 핀의 inductance 성분에 기인한 ground bounce라고 하는 전압을 유기하여 PCB 상의 그라운드 레벨과 칩 내부의 그라운드 레벨을 다르게 만든다. ground bounce는 디지털 로직의 큰 tolerance때문에 문제를 일으키지는 않는다. 그런데 이것 때문에 칩 내부의 디지털 그라운드를 아날로그의 기준전압으로 사용할 수 없다. 이것을 해결하기 이해서 AGND를 따로 사용해야 하는 것이다. AGND 핀이 짧은 시간에 많은 전류를 흘리지 않는한 문제가 되지 않는다. 즉 AGND는 실제 PCB 상의 ground를 보게 된다.

 이렇게 분리되어 있는 두 개의 reference는 결국 칩 밖에서 하나로 묶여져야 한다. 그렇지 않으면 두 reference 간의 전압 차이로 인해서 칩 내부의 디지털과 아날로그 사이의 경계에서 문제가 발생할 수 있다. IC 내부에 어느정도 tolerance는 있겠지만 우리는 그 값을 알 수 없으므로 최대한 적절히 PCB 디자인을 해야 한다.

 예들 들어 8비트 ADC에서는 아날로그와 디지털 reference 사이에 60dB 정도의 isolation만 있으면 noise 문제를 걱정하지 않아도 된다. 즉 그냥 하나의 큰 그라운드 플레인을 하용해도 문제를 일으키지 않을 것이다. 그러나 더 높은 해상도의 ADC라면 더 높은 isolation을 요구한다. 이것을 위해서 주로 PCB의 그라운드를 디지털 영역과 아날로그 영역 둘로 나눈다. 두 영역은 IC 아래의 한 점에서 연결이 된다. 연결점은 쵀대한 짧고 굵게 만들어야 한다. 연결점은 또한 아날로그 영역과 디지털 영역간에 current circulation이 발생하지 않도록 배치되야 한다(방금전에 언급한 한 점). 그렇지 않으면 isolation 효과가 무력화된다. PCB 그라운드 상에서 바라본 아날로그 그라운드 영역은 디지털을 경유하여 붙어있는 stray ground여야 한다.

참고: 60db는 1000:1의 전압 비율이다.