1、為什么要?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)字和模擬

因?yàn)殡m然是相連的，但是距離遠(yuǎn)了，又是不一樣的。 同一根導(dǎo)線(xiàn)在不同點(diǎn)的電壓可能不同，尤其是在電流較大的時(shí)候。 由于導(dǎo)體處于電阻狀態(tài)，電流流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓降。 另外，導(dǎo)體還有PCB分布電感，在交流信號(hào)下會(huì)表現(xiàn)出它的影響。 所以我們要把它分為數(shù)字和模擬，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)的高頻噪聲非常大。 如果模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)混合在一起，噪聲就會(huì)傳到模擬部分，造成干擾。 如果單獨(dú)接地，可以通過(guò)在電源處進(jìn)行濾波來(lái)隔離高頻噪聲。 但如果兩者混在一起，過(guò)濾就不容易了。

2、如何設(shè)計(jì)數(shù)字地和模擬地

之前必須了解電磁兼容（EMC）的兩個(gè)基本原則：第一個(gè)原則是盡可能減小電流回路的面積； 第二個(gè)原則是系統(tǒng)只使用一個(gè)參考平面。 反之，如果系統(tǒng)有兩個(gè)參考平面，就有可能形成偶極天線(xiàn)（注意：小偶極天線(xiàn)的輻射大小與線(xiàn)路長(zhǎng)度、流過(guò)的電流和頻率成正比）； 如果信號(hào)不能通過(guò)盡可能小的環(huán)路返回，可能會(huì)形成大環(huán)路天線(xiàn)（注意：小環(huán)路天線(xiàn)的輻射大小與環(huán)路面積、流過(guò)環(huán)路的電流、頻率的平方成正比 ). 這兩種情況在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免。

建議在混合信號(hào)上將數(shù)字地和模擬地分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地和模擬地的隔離。 這種方法雖然可行，但也存在很多潛在問(wèn)題，尤其是在復(fù)雜的大型系統(tǒng)中。 最關(guān)鍵的問(wèn)題是布線(xiàn)不能跨過(guò)分隔間隙。 一旦布線(xiàn)越過(guò)分隔間隙，電磁輻射和信號(hào)串?dāng)_將急劇增加。 PCB設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的問(wèn)題是信號(hào)線(xiàn)穿過(guò)分界地或電源引起的EMI問(wèn)題。

我們采用上面的分割方式，信號(hào)線(xiàn)穿過(guò)兩個(gè)地之間的縫隙。 信號(hào)電流的返回路徑是什么？ 假設(shè)兩個(gè)分開(kāi)的地在某個(gè)地方連在一起（通常是在某個(gè)位置的單點(diǎn)），在這種情況下，地電流會(huì)形成一個(gè)大環(huán)路。 流過(guò)大環(huán)路的高頻電流會(huì)產(chǎn)生輻射和高接地電感。 如果低電平模擬電流流過(guò)大環(huán)路，則電流容易受到外部信號(hào)干擾。 最糟糕的是，當(dāng)分地在電源處連接在一起時(shí)，會(huì)形成一個(gè)非常大的電流環(huán)路。 此外，模擬地和數(shù)字地通過(guò)一根長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)連接在一起，形成偶極天線(xiàn)。

了解電流返回地的路徑和方式是優(yōu)化混合信號(hào)電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 很多pcb工程師只考慮信號(hào)電流流向哪里，而忽略了電流的具體路徑。 如果地線(xiàn)層必須分割，必須通過(guò)分割間的縫隙走線(xiàn)，可以在分割地線(xiàn)之間做單點(diǎn)連接，形成兩個(gè)地線(xiàn)之間的連接橋，然后通過(guò)連接線(xiàn)走線(xiàn) 橋。 這樣，可以在每條信號(hào)線(xiàn)下方提供直流回流路徑，從而形成的環(huán)路面積很小。

也可以采用光隔離器件或變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)跨越隔離間隙。 對(duì)于前者，跨越分割間隙的是光信號(hào)； 在變壓器的情況下，跨越分離間隙的是磁場(chǎng)。 另一種可能的方法是使用差分信號(hào)：信號(hào)從一條線(xiàn)路流入并從另一條信號(hào)線(xiàn)路返回，在這種情況下，它們不需要作為返回路徑。

要想深入探討數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，首先要了解高頻電流的特性。 高頻電流始終選擇阻抗（電感）最低且信號(hào)正下方的路徑，因此無(wú)論相鄰層是電源層還是接地層，返回電流都會(huì)流過(guò)相鄰的電路層。 在實(shí)際工作中，一般傾向于采用統(tǒng)一的方法，將PCB分為模擬部分和數(shù)字部分。 模擬信號(hào)走線(xiàn)在電路板各層的模擬區(qū)，而數(shù)字信號(hào)走線(xiàn)在數(shù)字電路區(qū)。 在這種情況下，數(shù)字信號(hào)返回電流不會(huì)流向模擬信號(hào)的地。

只有當(dāng)數(shù)字信號(hào)走線(xiàn)在電路板的模擬部分或模擬信號(hào)走線(xiàn)在電路板的數(shù)字部分時(shí)，數(shù)字信號(hào)才會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生干擾。 不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題，因?yàn)闆](méi)有劃分。 真正的原因是數(shù)字信號(hào)的布線(xiàn)不當(dāng)。 PCB設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一的方式。 通過(guò)數(shù)字電路和模擬電路的分區(qū)和適當(dāng)?shù)男盘?hào)布線(xiàn)，通?？梢越鉀Q一些比較難的布局和布線(xiàn)問(wèn)題，也不會(huì)因?yàn)榈鼐€(xiàn)分割而帶來(lái)一些潛在的麻煩。 在這種情況下，元器件的布局和劃分就成為決定設(shè)計(jì)好壞的關(guān)鍵。 如果布局和布線(xiàn)合理，數(shù)字地電流將被限制在電路板的數(shù)字部分，不會(huì)干擾模擬信號(hào)。 此類(lèi)接線(xiàn)必須仔細(xì)檢查和檢查，以確保100%符合接線(xiàn)規(guī)則。 否則，如果信號(hào)線(xiàn)走線(xiàn)不當(dāng)，再好的電路板也會(huì)毀于一旦。

將A/D轉(zhuǎn)換器的模擬地和數(shù)字地引腳連接在一起時(shí)，大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器制造商會(huì)建議AGND和DGND引腳通過(guò)最短的引線(xiàn)連接到同一低阻抗地（注：因?yàn)榇蠖鄶?shù)A/D 轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部沒(méi)有將模擬地和數(shù)字地連接在一起，模擬地和數(shù)字地之間的連接必須通過(guò)外部引腳實(shí)現(xiàn)），任何連接到 DGND 的外部阻抗都會(huì)通過(guò)寄生耦合更多的數(shù)字噪聲到 IC 內(nèi)部的模擬電路 電容。 根據(jù)這個(gè)建議，需要將A/D轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND引腳連接到模擬地，但是這種方法可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)去耦電容的地端是否應(yīng)該連接到模擬地等問(wèn)題 地或數(shù)字地

如果系統(tǒng)只有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，上述問(wèn)題就很容易解決。 如圖3所示，分地，模擬地和數(shù)字地在A/D轉(zhuǎn)換器下面連在一起。 采用這種方法時(shí)，必須保證兩個(gè)地之間的連接橋的寬度與IC的寬度相同，并且不能有信號(hào)線(xiàn)越過(guò)分壓間隙。

如果對(duì)混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)的統(tǒng)一方式有疑慮，可以采用地線(xiàn)分層的方式對(duì)整個(gè)電路板進(jìn)行布局布線(xiàn)。 設(shè)計(jì)時(shí)要注意在后面測(cè)試電路板時(shí)，盡量方便地使用間距小于1/2英寸的跳線(xiàn)或0歐姆的電阻將分地連接在一起。 注意分區(qū)布線(xiàn)，保證各層模擬部分上方無(wú)數(shù)字信號(hào)線(xiàn)，數(shù)字部分上方無(wú)模擬信號(hào)線(xiàn)。 此外，任何信號(hào)線(xiàn)不得跨越接地間隙或分體式電源之間的間隙。 為測(cè)試電路板的功能和EMC性能，將兩個(gè)地通過(guò)0歐姆電阻或跳線(xiàn)連接在一起，重新測(cè)試電路板的功能和EMC性能。 對(duì)比測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，幾乎在所有情況下，統(tǒng)一方案在功能和EMC性能上都優(yōu)于分體方案。

分地的辦法還有用嗎？

這種方法可用于以下三種情況：一些醫(yī)療設(shè)備要求電路和連接患者的系統(tǒng)之間的漏電流很低； 一些工業(yè)過(guò)程控制設(shè)備的輸出可能連接到噪聲大、功率大的機(jī)電設(shè)備； 另一種情況是 PCB 布局受到特定限制。

混合信號(hào)PCB板上通常有獨(dú)立的數(shù)字和模擬電源，可以而且應(yīng)該使用分離電源平面。 但是，與電源層相鄰的信號(hào)線(xiàn)不能跨越電源之間的縫隙，所有跨越縫隙的信號(hào)線(xiàn)必須位于與大面積接地相鄰的電路層上。 在某些情況下，模擬電源被設(shè)計(jì)成PCB連接線(xiàn)而不是平面，以避免電源平面分割的問(wèn)題。