模擬電路和數字電路接地層不能分割的原因

看到一篇關于PCB接地測量的好文章，機器翻譯，怎么看都不爽，自己嘗試修改下，與大家共享。

永遠不要在模擬和數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混合板的PCB布局，在模擬電路和數字電路之間對接地層進行了地分割；但是在這種情況下，間隙在三個側面圍繞模擬電路。

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，雖然模擬電路和數字電路部分隔離開了，但是分割地層后有四條數字走線將D/A轉換器連接到其中一個數字元件，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數字元件的接地引腳，分割后迫使這些電流與模擬電流共享平面的同一區(qū)域，模數信號混合了，沒有起到分割的作用。

不能分割的原因：

1. 數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經過1 mΩ的電阻，會產生10mV的電壓，對于某些場景，這個電壓可以忽略。

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。

單點和多點接地

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。電流將根據每條路徑的電阻進行分配，允許大量的模擬電流返回平面。同樣，一些數字電流將在模擬電流返回路線上流動。

圖 2接地層上的近似返回電流分布

一般來說，如果兩個電流返回路徑連接在一個以上的點上，則它們在低頻下不會隔離。單點接地是EMC中的一個重要概念，盡管設計人員經常誤解它，因為他們沒有正確區(qū)分電流返回路徑和接地的概念。

圖 3. 單點接地

圖3說明了單點接地概念，隔離電路或系統通過非載流接地導體連接到單個點。

圖4顯示了另一種實現方式，其中接地導體連接在多個點，但它們仍然以單個點為參考。其中一個例子是建筑物中的電源接地，每個接地設備都有一條通往建筑電氣服務的專用有線路徑，在多個點連接接地導體不會降低接地方案的有效性。

圖 4. 另一個單點接地實現

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

在圖5中，中間和右側電路不是隔離的。從負載返回到中間電路源的電流現在可以選擇通過預期的藍色導體返回，或者通過與右側電路的附加連接通過“單點”接地返回中間電路。

圖 5.這不是單點接地

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

圖 6.多點接地。

單點接地策略的替代方案是多點接地策略，如圖6所示。

采用接地結構的系統通常會在多個點上連接未與接地結構隔離的電路和模塊。圖 7 演示了一個簡單的示例。在這種情況下，中間和右側電路之間的連接允許低頻返回電流在接地結構上流動。在這些頻率下，該結構將更準確地描述為電流返回結構。在提出接地策略時，重要的是要認識到導電結構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. 適當的電流返回策略通常側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. 正確的接地策略側重于識別和保護每個電路和系統的零伏基準電壓源；

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

4. 所有大型金屬物體應與地面結構連接。如果做不到，則必須與地面結構充分隔離，以保證不會發(fā)生嚴重的耦合。

審核編輯：湯梓紅