電路設(shè)計中的模擬地和數(shù)字地(已修改)
2025-05-23 21:33 本頁面
【正文】 電路設(shè)計中的模擬地和數(shù)字地 電路設(shè)計中的模擬地和數(shù)字地 2021 年 05 月 24 日星期二 19： 531 為什么要分?jǐn)?shù)字地和模擬地數(shù)字地和模擬地因為雖然是相通的，但是距離長了，就不一樣了。同一條導(dǎo)線，不同的點的電壓可能是不一樣的，特別是電流較大時。因為導(dǎo)線存在著電阻，電流流過時就會產(chǎn)生壓降。另外，導(dǎo)線還有分布電感，在交流信號下，分布電感的影響就會表現(xiàn)出來。所以我們要分成數(shù)字地和模擬地，因為數(shù)字信號的高頻噪聲很大，如果模擬地和數(shù)字地混合的話，就會把噪聲傳到模擬部分，造成干擾。如果分開接地的話，高頻噪聲可以在電源處通過濾波來隔離掉。但如果兩個地混合， 就不好濾波了。 2 如何設(shè)計數(shù)字地和模擬地在設(shè)計之前必須了解電磁兼容 (EMC)的兩個基本原則：第一個原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積；第二個原則是系統(tǒng)只采用一個參考面。相反，如果系統(tǒng)存在兩個參考面，就可能形成一個偶極天線 (注：小型偶極天線的輻射大小與線的長度、流過的電流大小以及頻率成正比 )；而如果信號不能通過盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個大的環(huán)狀天線 (注：小型環(huán)狀天線的輻射大小與環(huán)路面積、流過環(huán)路的電流大小以及頻率的平方成正比 )。在設(shè)計中要盡可能避免這兩種情況。 有人建議將混合信號電路板上的數(shù)字地和模擬地分割 開，這樣能實現(xiàn)數(shù)字地和模擬地之間的隔離。盡管這種方法可行，但是存在很多潛在的問題，在復(fù)雜的大型系統(tǒng)中問題尤其突出。最關(guān)鍵的問題是不能跨越分割間隙布線，一旦跨越了分割間隙布線，電磁輻射和信號串?dāng)_都會急劇增加。在 PCB 設(shè)計中最常見的問題就是信號線跨越分割地或電源而產(chǎn)生 EMI 問題。 如圖 1 所示，我們采用上述分割方法，而且信號線跨越了兩個地之間的間隙，信號電流的返回路徑是什么呢 ?假定被分割的兩個地在某處連接在一起 (通常情況下是在某個位置單點連接 )，在這種情況下，地電流將會形成一個大的環(huán)路。流經(jīng)大環(huán)路的高頻電流會產(chǎn)生 輻射和很高的地電感，如果流過大環(huán)路的是低電平模擬電流，該電流很容易受到外部信號干擾。最糟糕的是當(dāng)把分割地在電源處連接在一起時，將形成一個非常大的電流環(huán)路。另外，模擬地和數(shù)字地通過一個長導(dǎo)線連接在一起會構(gòu)成偶極天線。 了解電流回流到地的路徑和方式是優(yōu)化混合信號電路板設(shè)計的關(guān)鍵。許多設(shè)計工程師僅僅考慮信號電流從哪兒流過，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對地線層進(jìn)行分割，而且必須通過分割之間的間隙布線，可以先在被分割的地之間進(jìn)行單點連接，形成兩個地之間的連接橋，然后通過該連接橋布線。這樣，在每一個信號線的下方都能 夠提供一個直接的電流回流路徑，從而使形成的環(huán)路面積很小。 采用光隔離器件或變壓器也能實現(xiàn)信號跨越分割間隙。對于前者，跨越分割間隙的是光信號；在采用變壓器的情況下，跨越分割間隙的是磁場。還有一種可行的辦法是采用差分信號：信號從一條線流入從另外一條信號線返回，這種情況下，不需要地作為回流路徑。 要深入探討數(shù)字信號對模擬信號的干擾必須先了解高頻電流的特性。高頻電流總是選擇阻抗最小 (電感最低 )，直接位于信號下方的路徑，因此返回電流會流過鄰近的電路層，而無論這個臨近層是電源層還是地線層。在實際工作中一般傾向于使用統(tǒng)一 地，而將 PCB 分區(qū)為模擬部分和數(shù)字部分。模擬信號在電路板所有層的模擬區(qū)內(nèi)布線，而數(shù)字信號在數(shù)字電路區(qū)內(nèi)布線。在這種情況下，數(shù)字信號返回電流不會流入到模擬信號的地。 只有將數(shù)字信號布線在電路板的模擬部分之上或者將模擬信號布線在電路板的數(shù)字部分之上時，才會出現(xiàn)數(shù)字信號對模擬信號的干擾。出現(xiàn)這種問題并不是因為沒有分割地，真正的原因
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