數(shù)字地、模擬地互相會(huì)影響不是因?yàn)橐粋€(gè)叫數(shù)字,一個(gè)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?cè)赑CB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(lái)無(wú)可厚非,線布著就是用來(lái)導(dǎo)通電流的,可問(wèn)題出在這根線上有電阻!而且最根本的問(wèn)題是走這條線的電流要去2個(gè)不同的回路。
假設(shè)一下:有2股電流,數(shù)流,模流同時(shí)從地出發(fā)。有2個(gè)器件:數(shù)字件和模擬件。若2個(gè)回路不分開(kāi),數(shù)流模流走到數(shù)字件的接地端前的時(shí)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(duì)于地端升高了V,數(shù)字器件不滿意了。
“我承認(rèn)會(huì)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(huì)同樣抱怨!
兩個(gè)解決方案
方案一:你布的PCB線沒(méi)有阻抗,自然不會(huì)引起干擾,就像2、3樓直接往下跳,那是井道最寬的時(shí)候,也就是可以裝一個(gè)無(wú)限大的電梯,自然誰(shuí)都不影響誰(shuí),但誰(shuí)都知道,不可能。
方案二:2條回路分開(kāi)走,數(shù)流,模流分開(kāi),既數(shù)地、模地分開(kāi)。
同理,有時(shí)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(gè)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。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),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(hào)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(hào)的電壓基準(zhǔn)端(零電位點(diǎn))。
分為數(shù)字地和模擬地的原因
由于數(shù)字信號(hào)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(méi)有從接入點(diǎn)分開(kāi),數(shù)字信號(hào)中的諧波很容易會(huì)干擾到模擬信號(hào)的波形。當(dāng)模擬信號(hào)為高頻或強(qiáng)電信號(hào)時(shí),也會(huì)影響到數(shù)字電路的正常工作。
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(kāi)模擬地和數(shù)字地。
存在問(wèn)題的根本原因是,無(wú)法保證電路板上銅箔的電阻為零,在接入點(diǎn)將數(shù)字地和模擬地分開(kāi),就是為了將數(shù)字地和模擬地的共地電阻降到最小。
處理數(shù)字地和模擬地的基本原則
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。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。
而對(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(kāi)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,其他部分全作為地線。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(kāi)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。
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:用磁珠連接;用電容連接,利用電容隔直通交的原理;用電感連接,一般用幾u(yù)H到數(shù)十uH;用零歐姆電阻連接。
零歐姆電阻
一般情況下,用零歐電阻是最佳選擇。
1.可保證直流電位相等;
2.單點(diǎn)接地,限制噪聲;
3.對(duì)所有頻率的噪聲都有衰減作用,零歐也有阻抗,而且電流路徑狹窄,可以限制噪聲電流通過(guò);
4.電容,利用電容隔直通交的原理。
磁珠
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(hào)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(shí)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(duì)高頻信號(hào)才有較大阻礙作用,一般規(guī)格有100歐/100mMHZ,它在低頻時(shí)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(jià)、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(hào)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(chǎng)合發(fā)揮磁珠的作用。在電路中只要導(dǎo)線穿過(guò)它即可。當(dāng)導(dǎo)線中電流穿過(guò)時(shí),鐵氧體對(duì)低頻電流幾乎沒(méi)有什么阻抗,而對(duì)較高頻率的電流會(huì)產(chǎn)生較大衰減作用。