如何區(qū)分?jǐn)?shù)字地和模擬地及信號地、交流地、直流地又怎么破

2021-10-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

二者本質(zhì)是一直的,就是數(shù)字地和模擬地都是地。

要明白為什么要分開,先聽一個故事;我們公司的商務(wù)樓,2樓是搞模擬的,3樓是搞數(shù)字的,整幢樓只有一部電梯,平時人少的時候還好辦,上2樓上3樓互不影響,但每天上下班的時候就不得了了,人多得很,搞數(shù)字的要上3樓,總是被2樓搞模擬的人影響,2樓模擬的人要下樓,總是要等電梯上了3樓再下來,互相影響很是麻煩,商務(wù)樓的物業(yè)為解決這個問題,提出了2個方案:第1個(笑死人了)電梯擴大,可以裝更多的人,電梯大了是好,但公司會招人,人又多了,再換電梯,再招人...永遠死循環(huán),有一個辦法到挺好,大家索性不要電梯,直接往下跳,不管2樓的3樓的,肯定解決問題,但肯定會出問題(第1個被槍斃掉了)。第2個辦法裝2部電梯,一部專門上2樓,另一部專門上3樓,Wonderful!太機智了,這樣2層樓面的工作人員就互不影響了。明白了否?

數(shù)字地、模擬地互相會影響不是因為一個叫數(shù)字,一個叫模擬,而是他們用了同一部電梯:地,而這部電梯所用的井道就是我們在PCB上布得地線。模擬回路的電流走這條線,數(shù)字回路的電流也走這條線,本來無可厚非,線布著就是用來導(dǎo)通電流的,可問題出在這根線上有電阻!而且最根本的問題是走這條線的電流要去2個不同的回路。假設(shè)一下:有2股電流,數(shù)流,模流同時從地出發(fā)。有2個器件:數(shù)字件和模擬件。若2個回路不分開,數(shù)流模流走到數(shù)字件的接地端前的時候,損耗的電壓為V=(數(shù)流+模流)X走線電阻,相當(dāng)于數(shù)字器件的接地端相對于地端升高了V,數(shù)字器件不滿意了,我承認(rèn)會升高少許電壓,數(shù)流的那部分我認(rèn)了,但模流的為什么要加在我頭上?同理模擬器件也會同樣抱怨!

兩個解決方案:

第1個:你布的PCB線沒有阻抗,自然不會引起干擾,就像2、3樓直接往下跳,那是井道最寬的時候,也就是可以裝一個無限大的電梯,自然誰都不影響誰,但誰都知道,This is mission impossible!

第2個:2條回路分開走,數(shù)流,模流分開,既數(shù)地、模地分開。

同理,有時雖在模擬回路中,但也要分大、小電流回路,就是避免相互干擾。所謂的干擾就是:2個不同回路中的電流在PCB走線上引起的電壓,這2部分電壓互相疊加而產(chǎn)生的。

下面再具體介紹,簡單來說,數(shù)字地是數(shù)字電路部分的公共基準(zhǔn)端,即數(shù)字電壓信號的基準(zhǔn)端;模擬地是模擬電路部分的公共基準(zhǔn)端,模擬信號的電壓基準(zhǔn)端(零電位點)。

一、分為數(shù)字地和模擬地的原因
由于數(shù)字信號一般為矩形波,帶有大量的諧波。如果電路板中的數(shù)字地與模擬地沒有從接入點分開,數(shù)字信號中的諧波很容易會干擾到模擬信號的波形。當(dāng)模擬信號為高頻或強電信號時,也會影響到數(shù)字電路的正常工作。模擬電路涉及弱小信號,但是數(shù)字電路門限電平較高,對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)生的噪聲會影響模擬電路,使模擬電路的小信號指標(biāo)變差,克服的辦法是分開模擬地和數(shù)字地。
存在問題的根本原因是,無法保證電路板上銅箔的電阻為零,在接入點將數(shù)字地和模擬地分開,就是為了將數(shù)字地和模擬地的共地電阻降到最小。

二、數(shù)字地和模擬地處理的基本原則如下
如果把模擬地和數(shù)字地大面積直接相連,會導(dǎo)致互相干擾。不短接又不妥。對于低頻模擬電路,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。
而對于高頻電路和數(shù)字電路,由于這時地線的電感效應(yīng)影響會更大,一點接地會導(dǎo)致實際地線加長而帶來不利影響,這時應(yīng)采取分開接地和一點接地相結(jié)合的方式。另外對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,以降低噪聲對地阻抗;滿接地,即除傳輸信號的印制線以外,其他部分全作為地線。不要有無用的大面積銅箔。
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大,以免儀器處于強磁場中時,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,則只在此處單點共地。低頻中沒有多大影響,但建議模擬和數(shù)字一點接地。高頻時,可通過磁珠把模擬和數(shù)字地一點共地。

三、四種解決方法
模擬地和數(shù)字地間的串接可以采用四種方式:1、用磁珠連接;2、用電容連接(利用電容隔直通交的原理);3、用電感連接(一般用幾uH到數(shù)十uH);4、用0歐姆電阻連接。下面重點介紹一下磁珠和0歐姆電阻:

一般情況下,用0歐電阻是最佳選擇,1、可保證直流電位相等;2、單點接地,限制噪聲;3、對所有頻率的噪聲都有衰減作用(0歐也有阻抗,而且電流路徑狹窄,可以限制噪聲電流通過);4、電容(利用電容隔直通交的原理)。
磁珠采用在高頻段具有良好阻抗特性的鐵氧體材料燒結(jié)面成,專用于抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾,還具有吸收靜電脈沖的能力。磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率,等效于電阻和電感串聯(lián),但電阻值和電感值都隨頻率變化。它比普通的電感有更好的高頻濾波特性,在高頻時呈現(xiàn)阻性,所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗,從而提高調(diào)頻濾波效果。磁珠對高頻信號才有較大阻礙作用,一般規(guī)格有100歐/100mMHZ,它在低頻時電阻比電感小得多。鐵氧體磁珠(Ferrite Bead)是目前應(yīng)用發(fā)展很快的一種抗干擾組件,廉價、易用,濾除高頻噪聲效果顯著。

鐵氧體磁珠不僅可用于電源電路中濾除高頻噪聲(可用于直流和交流輸出),還可廣泛應(yīng)用于其它電路,其體積可以做得很小。特別是在數(shù)字電路中,由于脈沖信號含有頻率很高的高次諧波,也是電路高頻輻射的主要根源,所以可在這種場合發(fā)揮磁珠的作用。在電路中只要導(dǎo)線穿過它即可。當(dāng)導(dǎo)線中電流穿過時,鐵氧體對低頻電流幾乎沒有什么阻抗,而對較高頻率的電流會產(chǎn)生較大衰減作用。

四.電感與磁珠的區(qū)別
有一匝以上的線圈習(xí)慣稱為電感線圈,少于一匝(導(dǎo)線直通磁環(huán))的線圈習(xí)慣稱之為磁珠。電感是儲能元件,而磁珠是能量轉(zhuǎn)換(消耗)器件,電感多用于電源濾波回路,磁珠多用于信號回路,用于EMC對策;磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾,而電感用于這方面則側(cè)重于抑制傳導(dǎo)性干擾。兩者都可用于處理EMC、EMI問題;電感一般用于電路的匹配和信號質(zhì)量的控制上,在模擬地和數(shù)字地結(jié)合的地方用磁珠。
作為電源濾波,可以使用電感。磁珠的電路符號就是電感但是型號上可以看出使用的是磁珠在電路功能上,磁珠和電感是原理相同的,只是頻率特性不同罷了;磁珠由氧磁體組成,電感由磁心和線圈組成,磁珠把交流信號轉(zhuǎn)化為熱能,電感把交流存儲起來,緩慢的釋放出去。
電感是儲能元件,而磁珠是能量轉(zhuǎn)換(消耗)器件;電感多用于電源濾波回路,磁珠多用于信號回路,用于EMC對策;磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾,而電感用于這方面則側(cè)重于抑制傳導(dǎo)性干擾。兩者都可用于處理EMC、EMI問題。磁珠是用來吸收超高頻信號,象一些RF電路,PLL,振蕩電路,含超高頻存儲器電路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠,而電感是一種蓄能元件,用在LC振蕩電路,中低頻的濾波電路等,其應(yīng)用頻率范圍很少超過50MHZ。

五、幾種方法綜述
  電容隔直通交,造成浮地。電容不通直流,會導(dǎo)致壓差和靜電積累,摸機殼會麻手。如果把電容和磁珠并聯(lián),就是畫蛇添足,因為磁珠通直,電容將失效。串聯(lián)的話就顯得不倫不類。
電感體積大,雜散參數(shù)多,特性不穩(wěn)定,離散分布參數(shù)不好控制,體積大。電感也是陷波,LC諧振(分布電容),對噪點有特效。
磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻陷波器,只對某個頻點的噪聲有抑制作用,如果不能預(yù)知噪點,如何選擇型號,況且,噪點頻率也不一定固定,故磁珠不是一個好的選擇。
  0歐電阻相當(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),這點比磁珠強。
  總之,關(guān)鍵是模擬地和數(shù)字地要一點接地。建議,不同種類地之間用0歐電阻相連;電源引入高頻器件時用磁珠;高頻信號線耦合用小電容;電感用在大功率低頻上。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才