模擬電路和數(shù)字電路接地層不能分割的原因

看到一篇關(guān)于PCB接地測量的好文章，機(jī)器翻譯，怎么看都不爽，自己嘗試修改下，與大家共享。

永遠(yuǎn)不要在模擬和數(shù)字電路之間分割地層

為了說明為什么會這樣？請考慮下圖中的模數(shù)混合板的PCB布局，在模擬電路和數(shù)字電路之間對接地層進(jìn)行了地分割；但是在這種情況下，間隙在三個(gè)側(cè)面圍繞模擬電路。

圖 1.左邊是分割后的混合信號板布局（a），右邊是更好的替代布局（b）

如果考慮返回電流，雖然模擬電路和數(shù)字電路部分隔離開了，但是分割地層后有四條數(shù)字走線將D/A轉(zhuǎn)換器連接到其中一個(gè)數(shù)字元件，這些信號也需要返回路徑。這些電流必須從D/A元件的接地引腳到達(dá)數(shù)字元件的接地引腳，分割后迫使這些電流與模擬電流共享平面的同一區(qū)域，模數(shù)信號混合了，沒有起到分割的作用。

不能分割的原因：

1. 數(shù)字和模擬信號的工作頻率在高于約100 kHz的頻率下，接地層上的返回電流被限制在信號走線正下方的區(qū)域。

2. 即使在kHz頻率或更低頻率下，電路板接地層的電阻也小于1 mΩ/平方。比如10A經(jīng)過1 mΩ的電阻，會產(chǎn)生10mV的電壓，對于某些場景，這個(gè)電壓可以忽略。

3. 在不能容忍mV級別耦合的情況下，最好將返回路徑分布在不同的層上。

單點(diǎn)和多點(diǎn)接地

如圖2所示。模擬返回電流有兩種可能的路徑。它可以在走線上返回，也可以在平面上返回。電流將根據(jù)每條路徑的電阻進(jìn)行分配，允許大量的模擬電流返回平面。同樣，一些數(shù)字電流將在模擬電流返回路線上流動(dòng)。

圖 2接地層上的近似返回電流分布

一般來說，如果兩個(gè)電流返回路徑連接在一個(gè)以上的點(diǎn)上，則它們在低頻下不會隔離。單點(diǎn)接地是EMC中的一個(gè)重要概念，盡管設(shè)計(jì)人員經(jīng)常誤解它，因?yàn)樗麄儧]有正確區(qū)分電流返回路徑和接地的概念。

圖 3. 單點(diǎn)接地

圖3說明了單點(diǎn)接地概念，隔離電路或系統(tǒng)通過非載流接地導(dǎo)體連接到單個(gè)點(diǎn)。

圖4顯示了另一種實(shí)現(xiàn)方式，其中接地導(dǎo)體連接在多個(gè)點(diǎn)，但它們?nèi)匀灰詥蝹€(gè)點(diǎn)為參考。其中一個(gè)例子是建筑物中的電源接地，每個(gè)接地設(shè)備都有一條通往建筑電氣服務(wù)的專用有線路徑，在多個(gè)點(diǎn)連接接地導(dǎo)體不會降低接地方案的有效性。

圖 4. 另一個(gè)單點(diǎn)接地實(shí)現(xiàn)

雖然單點(diǎn)接地是確保隔離電路具有相同零伏基準(zhǔn)的重要概念，但如果接地導(dǎo)體承載信號或電源電流，則單點(diǎn)接地不起作用。

在圖5中，中間和右側(cè)電路不是隔離的。從負(fù)載返回到中間電路源的電流現(xiàn)在可以選擇通過預(yù)期的藍(lán)色導(dǎo)體返回，或者通過與右側(cè)電路的附加連接通過“單點(diǎn)”接地返回中間電路。

圖 5.這不是單點(diǎn)接地

重要的是要記住，單點(diǎn)接地是確保隔離電路和設(shè)備具有相同零伏基準(zhǔn)的重要策略。另一方面，單點(diǎn)電流返回通常是導(dǎo)致嚴(yán)重電磁耦合問題的根本原因。

圖 6.多點(diǎn)接地。

單點(diǎn)接地策略的替代方案是多點(diǎn)接地策略，如圖6所示。

采用接地結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)通常會在多個(gè)點(diǎn)上連接未與接地結(jié)構(gòu)隔離的電路和模塊。圖 7 演示了一個(gè)簡單的示例。在這種情況下，中間和右側(cè)電路之間的連接允許低頻返回電流在接地結(jié)構(gòu)上流動(dòng)。在這些頻率下，該結(jié)構(gòu)將更準(zhǔn)確地描述為電流返回結(jié)構(gòu)。在提出接地策略時(shí)，重要的是要認(rèn)識到導(dǎo)電結(jié)構(gòu)在某些頻率下可以提供接地功能，而在另一些頻率下可以提供電流返回功能。

圖 7.混合接地策略。

接地策略

1. 適當(dāng)?shù)碾娏鞣祷夭呗酝ǔ?cè)重于為高頻電流提供低電感路徑，并保持對低頻電流路徑的控制；

2. 正確的接地策略側(cè)重于識別和保護(hù)每個(gè)電路和系統(tǒng)的零伏基準(zhǔn)電壓源；

3. 確定接地結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)級，接地結(jié)構(gòu)總是金屬外殼或框架；在板級，如果板連接到框架，那么板接地應(yīng)該是連接發(fā)生的地方；

4. 所有大型金屬物體應(yīng)與地面結(jié)構(gòu)連接。如果做不到，則必須與地面結(jié)構(gòu)充分隔離，以保證不會發(fā)生嚴(yán)重的耦合。

審核編輯：湯梓紅