PCB設(shè)計(jì)的接地問(wèn)題總結(jié)

在PCB設(shè)計(jì)中，模擬地/數(shù)字地以及模擬電源/數(shù)字電源這幾個(gè)概念是會(huì)被工程師經(jīng)常提到的，實(shí)際上這些概念只不過(guò)是相對(duì)的，而其存在的前提就是數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾已經(jīng)達(dá)到了一定的地步，據(jù)小編了解，目前的標(biāo)準(zhǔn)處理辦法有兩種：其一是地線從整流濾波后就分為2根，其中一根作為模擬地，所有模擬部分的電路地全部接到這個(gè)模擬地上面；另一根為數(shù)字地，所有數(shù)字部分的電路地全部接到這個(gè)數(shù)字地上面。第二種方法是直流電源穩(wěn)壓芯片出來(lái)，經(jīng)過(guò)濾波后同樣分為2根，其中一根經(jīng)過(guò)LC/RC濾波后作為模擬電源，所有模擬部分的電路電源全部接到這個(gè)模擬電源上面；而另一根為數(shù)字電源，所有數(shù)字部分的電路電源全部接到這個(gè)數(shù)字電源上面。

基于以上問(wèn)題需要注意的是模擬地/數(shù)字地以及模擬電源/數(shù)字電源除了在電源的開始部分有一點(diǎn)連接外，不能再有任何連接。

AVCC：模擬部分電源供電；AGND：模擬地

DVCC：數(shù)字部分電源供電；DGND：數(shù)字地

這樣區(qū)分是為了將數(shù)字部分和模擬部分隔離開，減小數(shù)字部分帶給模擬電路部分的干擾。但這兩部分不可能完全隔離開，數(shù)字部分和模擬部分之間是有連接的所以，在供電時(shí)至少地應(yīng)該是在一起的，所以AGND和DGND之間要用0歐姆的電阻或磁珠或電感連接起來(lái)，這樣的一點(diǎn)連接就能夠減小干擾。同樣，如果兩部分的供電電源相同也應(yīng)該采用這樣的接法。

在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了少走彎路和節(jié)省時(shí)間，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。形成干擾的基本要素有三個(gè)：

（1）干擾源，也就是產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干擾源。比如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可 能成為干擾源。

（2）傳播路徑，是干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳 播路徑是通過(guò)導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。

（3）敏感器件，容易被干擾的對(duì)象。比如：A/D、D/A變換器，單片機(jī)，數(shù)字IC， 弱信號(hào)放大器等?？垢蓴_設(shè)計(jì)的基本原則是抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。（類似于傳染病的預(yù)防）

那么在電源電路設(shè)計(jì)中如何抑制干擾源，這就成了首要問(wèn)題：

抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt，di/dt。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu) 先考慮和最重要的原則，常常會(huì)起到事半功倍的效果，減小干擾源的du/dt主要是通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，減小干擾源的 di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

抑制干擾源的常用措施如下：

（1）繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開時(shí)間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)；

（2）在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路（一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾K 到幾十K，電容選0.01uF），減小電火花影響；

（3）給電機(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短；

（4）電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF～0.1μF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的 影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電 容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果；

（5）布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射；

（6）可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲（這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能 會(huì)把可控硅擊穿的）。

按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和 有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過(guò)在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時(shí)也可加隔離光耦來(lái)解決。電源噪聲的危害最大， 要特別注意處理。 所謂輻射干擾是指通過(guò)空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩。

切斷干擾傳播路徑的常用措施如下：

（1）充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半，許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感， 要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Ω電阻代替磁珠；

（2）注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問(wèn)題；

（3）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源 （如電機(jī)，繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離；

（4）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則，廠家分配A/D、D/A芯片 引腳排列時(shí)已考慮此要求；

（5）單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小相互干擾。 大功率器件盡可能放在電路板邊緣；

（6）如果單片機(jī)的I/O口用來(lái)控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離（增加π形濾波電路）。控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離（增加π形濾波電路）；

（7）在單片機(jī)I/O口，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件 如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器，屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。

提高敏感器件的抗干擾性能可以理解為從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。其常用措施包括：

（1）IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。

（2）布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲；

（3）布線時(shí)，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲；

（4）對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置 端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源；

（5）對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能；

（6）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路；

為了達(dá)到很好的抗干擾，會(huì)?？吹?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB板上有地分割的布線方式，但是也不是所有的數(shù)字電路和模擬電路混合都一定要進(jìn)行地平面分割。因?yàn)檫@樣分割是為了降低噪聲的干擾。

分析其中的原因其實(shí)是在數(shù)字電路中一般的頻率會(huì)比模擬電路中的頻率要高，而且它們本身的信號(hào)會(huì)跟地平面形成一個(gè)回流（因?yàn)樵谛盘?hào)傳輸中，銅線與銅線之間存在著各種各樣的電感和分布電容），如果把地線混合在一起，那么這個(gè)回流就會(huì)在數(shù)字和模擬電路中相互串?dāng)_，而需要分開就是讓它們只在自己本身內(nèi)部形成一個(gè)回流。它們之間只用一個(gè)零歐電阻或是磁珠連接起來(lái)就是因?yàn)樵瓉?lái)它們就是同一個(gè)物理意義的地，現(xiàn)在布線把它們分開了，最后還應(yīng)該把它們連接起來(lái)。

如何分析它們是屬于數(shù)字部分呢還是模擬部分？這個(gè)問(wèn)題常常是我們?cè)诰唧w畫PCB時(shí)得考濾的。如果要判斷一個(gè)元件是屬于模擬的，還是數(shù)字的關(guān)鍵是看與它相關(guān)的主要芯片是數(shù)字的還是模擬的。比如：電源它可能給模擬電路供電，那它就是模擬部分的，如果它是給單片機(jī)或是數(shù)據(jù)類芯片供電，那它就是數(shù)字的。當(dāng)它們是同一個(gè)電源時(shí)就需要用一個(gè)橋的方法把一個(gè)電源從另一個(gè)部分引過(guò)來(lái)。最典形的就是D/A了，它應(yīng)該是一個(gè)一半是數(shù)字，一半是模擬的芯片。

模擬電路涉及弱小信號(hào)，但是數(shù)字電路門限電平較高，對(duì)電源的要求就比模擬電路低些。既有數(shù)字電路又有模擬電路的系統(tǒng)中，數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲會(huì)影響模擬電路，使模擬電路的小信號(hào)指標(biāo)變差，克服的辦法是分開模擬地和數(shù)字地。

對(duì)于低頻模擬電路，除了加粗和縮短地線之外，電路各部分采用一點(diǎn)接地是抑制地線干擾的最佳選擇，主要可以防止由于地線公共阻抗而導(dǎo)致的部件之間的互相干擾。

對(duì)于高頻電路和數(shù)字電路，由于這時(shí)地線的電感效應(yīng)影響會(huì)更大，一點(diǎn)接地會(huì)導(dǎo)致實(shí)際地線加長(zhǎng)而帶來(lái)不利影響，這時(shí)應(yīng)采取分開接地和一點(diǎn)接地相結(jié)合的方式；另外對(duì)于高頻電路還要考慮如何抑制高頻輻射噪聲，方法是盡量加粗地線，以降低噪聲對(duì)地阻抗;滿接地，即除傳輸信號(hào)的印制線以外，其它部分全作為地線。不要有無(wú)用的大面積銅箔。

地線應(yīng)構(gòu)成環(huán)路，以防止產(chǎn)生高頻輻射噪聲，但環(huán)路所包圍面積不可過(guò)大，以免儀器處于強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電流。但如果只是低頻電路，則應(yīng)避免地線環(huán)路。數(shù)字電源和模擬電源最好隔離，地線分開布置，如果有A/D，則只在此處單點(diǎn)共地。

低頻中沒(méi)有多大影響，但建議模擬和數(shù)字一點(diǎn)接地。高頻時(shí)，可通過(guò)磁珠把模擬和數(shù)字地一點(diǎn)共地。

如果把模擬地和數(shù)字地大面積直接相連，會(huì)導(dǎo)致互相干擾。不短接又不妥，理由如上有四種方法解決此問(wèn)題∶用磁珠連接、用電容連接、用電感連接、以及0歐姆電阻連接。

磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻限波器，只對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有顯著抑制作用，使用時(shí)需要預(yù)先估計(jì)噪點(diǎn)頻率，以便選用適當(dāng)型號(hào)。對(duì)于頻率不確定或無(wú)法預(yù)知的情況，磁珠不合。

而電容隔直通交，會(huì)造成浮地。電感體積大，雜散參數(shù)多，同樣會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定。

那么最后說(shuō)道0歐電阻，它相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用（0歐電阻也有阻抗），這點(diǎn)要比磁珠強(qiáng)。