南华大学黄智伟系列--数模混合系统的接地处理

小煜

南华大学黄智伟系列--数模混合系统的接地处理 [复制链接]

地线是什么？

 

在培训过程中，经常可以碰到学生在使用ADC或者DAC时，一个十分纠结的问题：数字地和模拟地如何处理？不同的资料，有各种说法。下面根据我的理解，做一些解释：

 

在教科书上所谓的“地”（Ground），一般定义为电路或系统的零电位参考点，直流电压的零电位点或者零电位面，它不一定是实际的大地，可以是设备的外壳或其它金属板或金属线。

 

“接地”（Grounding）一般是指将电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面的良好导体上，为电路或系统与“地”之间建立一个低阻抗通道。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。

 

注意： “源”的含义，“源”在“电路”中，包括直流电源、交流电源；在“模拟电子电路”中，包括小电压（电流）信号源、大功率（电压和电流）信号源；在 “数字电子电路”中，包括数字信号，脉冲信号；在“高频电路”中，包括RF（射频）信号；等等。在一个数—模混合系统中，“源”可能有多种形式，也就意味着在“地线”上流过的电流形式是多种形式的（多种成分的）。地线作为一个“低阻抗通道”，将提供一个电流返回其源的回路。

地线是作为电路或系统电位基准点的等电位体，是电路或系统中各电路的公共导体，任何电路或系统的电流都需要经过地线形成回路。然而，在好的导体，也就是任何导体都存在着一定的阻抗（其中包括电阻和电抗）。地线有电流流过，根据欧姆定律，地线上就会有电压存在。既然地线上有电压，说明地线不是一个等电位体。在设计电路或系统时，关于地线上各点的电位一定相等的假设就可能不成立。实际的情况是地线上各点之间的电位并不是相等的。如果用仪表测量一下，会发现地线上各点的电位可能相差很大。地线的公共阻抗使各接地点间形成一定的电压，从而产生接地干扰。

 

设计时，电路或系统的接地设计与其功能设计同等重要，合理的接地设计是最经济有效的电磁兼容设计技术。90％的电磁兼容问题是由于布线和接地不当造成的，良好的布线和接地既能够提高抗扰度，又能够减小干扰发射。设计良好的地线系统并不会增加成本，可以在花费较少的情况下解决许多电磁干扰问题。在设计的一开始就考虑布局与地线是解决EMI问题最廉价和有效的方法。

 

地线是什么？一是电路或系统电位基准点，二是电流返回其源的低阻抗通道，注意：“电流”成分的复杂性。

 

 

小煜

地线通常采用良好的导体构成，导体的几何形状可以有多种形式，如圆导线和扁平导体条等。在许多同学的概念中，导体（导线）就是导体（导线）。

有一个概念需要建立“导线（导体）不是导线（导体）”。

第1：导体有电阻

通常导线的直流电阻可以表示为

 

式中：ρ为导体的电阻率（Ω/m），l为导体的长度（m），S为导线的横截面面积（ m2）。

对于一个圆导线和扁平导体条的直流电阻可以分别表示为

 

 
 

 

式中：a为圆导线的半径（m）；w为扁平导体条的宽度（m）；t分别为扁平导体条的厚度（m）。

导体的电阻分为直流电阻RDC和交流电阻RAC。对于交流电流，由于趋肤效应，电流集中在导体的表面，导致实际电流截面减小，电阻增加。受集肤效应（Skin Effect）的影响，导体的交流电阻将远大于直流电阻。一个实心单导体的直流电阻与交流电阻的关系可以广义描述为

上式表明，交流电阻与工作频率的平方根成正比。

第2：导体有电感

任何导体都有电感。对于一个圆截面的导体有：

L=0.2l[ln（4.5/d）－1]（µH）

式中：l为导体长度（m）；d为导体直径（m）。电感与导线的长度成正比。

    对于一个扁平导体条的电感可以表示为

 

 

（µH）

    扁平导体条的宽度增加，电感减少；厚度增加，电感也减少。但是，宽度增加比厚度增加产生的电感减少量要大得多。

第3：导体有电阻，导体有电感，即导体存在阻抗

导体的阻抗Z由电阻部分和感抗部分两部分组成，即

 

 

导体的阻抗是频率的函数，随着频率升高，阻抗增加很快。例如一个直径为0.065m、长度为10cm的导线，在频率为10Hz时，阻抗为5.29mΩ；在频率为100MHz时，阻抗达到71.4Ω。一个直径为0.04m、长度为10cm的导线，在频率为10Hz时，阻抗为13.3mΩ；在频率为100MHz时，阻抗达到77Ω。

当频率较高时，导体的阻抗远大于直流电阻。如果将10 Hz时的阻抗近似认为是直流电阻，可以看出当频率达到100MHz时，对于10cm长导线，它的阻抗是直流电阻的1 000多倍。因此对于高速数字电路而言，电路的时钟频率是很高的，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压，地线阻抗对数字电路的影响十分可观。对于射频电路，当射频电流流过地线时，电压降也是很大的。

同一导体在直流、低频和高频情况下所呈现的阻抗是不同，而导体的电感同样与导体半径、长度及信号频率有关。增大导线的直径对于减小直流电阻是十分有效的，但对于减小交流阻抗的作用很有限。而在EMC中，为了减小交流阻抗，一个有效的办法是多根导线并联。当两根导线并联时，其总电感L为：

 

式中，L1为单根导线的电感；M为两根导线之间的互感。

 

    从上式中可以看出，当两根导线相距较远时，它们之间的互感很小，总电感相当于单根导线电感的一半。因此，可以通过多条接地线来减小接地阻抗。但是，多根导线之间的距离过近时，要注意的导线之间的互感增加的影响。

 

同时设计时应根据不同频率下的导体阻抗来选择导体截面大小，并尽可能使地线加粗和缩短，以降低地线的公共阻抗。

在高速数字电路中，研究信号的完整性时，还需要考虑2根导线之间的互容和互感。

“导线（导体）不是导线（导体）”，导线（导体）是一个包含有电阻、电感、互容和互感的“RLC电路网络”。

 

将问题1和问题2的一些概念连接在一起考虑，可以看到：

在“地线”上流过的电流形式是多种形式的（多种成分的）。地线通常采用良好的导体构成，导线（导体）是一个包含有电阻、电感、互容和互感的“RLC电路网络”。

 

“多种成分的电流”在一个“RLC电路网络”流过，会产生什么？对有“源”什么影响，大家就可以去想象了。

 

小煜

当多个电路共用一段地线时，由于存在地线的阻抗Z（Z=RAC+jωL，没有考虑互容和互感），地线的电位会受到每个电路的工作电流的影响。一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样，一个电路中的信号会耦合进入另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。一个公共阻抗耦合例如图5.2.1所示。

 

图5.2.1

一个公共阻抗耦合例

在图5.2.1所示电路中，A、B、C各点的电位分别为：

uA=（i1+i2+i3）Z1

（5.2.9）

uB= uA+（i2+i3）Z2=（i1+i2+i3）Z1 +（i2+i3）Z2
（5.2.10）

uC= uB+i3Z3=（i1+i2+i3）Z1 +（i2+i3）Z2+i3Z3
（5.2.11）

 

从式（5.2.9）、式（5.2.10）、式（5.2.11）可见，A、B、C各点的电位与各电路的工作电流i1、i2和i3有关，随各电路的工作电流变化而变化。由此产生的干扰称为公共阻抗耦合干扰。

 

两个不同的接地点之间存在一定的电位差，称为地电压。这是由于两接地点之间的地线总有一定的阻抗，地电流流经接地公共阻抗，在其上产生了地电压，此地电压直接加到电路上形成共模干扰电压。

 

如果我们假设：电路1是一个小信号（mV或者μV级）的模拟放大器电路，电路2是一个数字电路（如单片机系统，电源电压5V），电路3是一个大功率的控制电路（如电机，电机启动时需要大的电流，如安培（A）级）。当一个mV或者μV级信号输入到电路1时，uA=（i1+i2+i3）Z1的影响，足以使电路1无法正常工作。也就是我们经常可以碰到的一个问题，各电路分别调试好后可以正常工作，而将它们连接在一起时，就不能够正常工作了。这时，用示波器也可以在地线上看到存在许多杂波信号，而且幅度还不小。

 

解决问题的关键是使VA=0，i1、i2、i3是各电路工作时的电流，是必须的，不能够改变。能够改变的只有Z1，Z1=0，就能够使VA=0。另外让i2、i3不流过Z1，也不会影响VA。

 

因此设计时，确保地线是一个“零阻抗通道”很重要，即使Z1=0。另外一个解决的思路是不让i2、i3流过Z1。

 

小煜

从理论上讲，确保地线是一个“零阻抗通道”是做不到的，因为地线是采用导体构成的，而导线（导体）是一个包含有电阻、电感、互容和互感的“RLC电路网络”。

 

但构造一个 “容量”极大的“地”是可以做到的。我们假设，如果有一个 “地”，不管流入的电流有多大，频率成分有多复杂，它都可以保持“零电位”不变，是一个“安静的”、“纯净的”“地”，即这个容量极大的“地”能够吸收所有流入的电流，而没有（不产生）电位的变化。

现在，我们打个比方，我们用水来表示电流，假设有一个“地”容量只有一个茶杯大小，这时我们倒入一些水（矿泉水瓶），我们可以看到茶杯的水面会有明显的变化，会产生溢出。假设有一个“地”容量有一个水塘（如操场大小），这时我们倒入一些水（矿泉水瓶），我们可以看到在倒入水的那一点，水面会有明显的变化，而在远离倒水点的其他位置，是看不到水面的变化的。

 

用这个譬如，想要说明的是，作为地线，如设计PCB地线时，只有条件许可，地线尽可能的粗一些，面积尽可能的大一些。只要有可能，在PCB设计时，最好设计单独的“接地面”。

 

* 这个原则也可以用在电源线的设计上，即电源线尽可能的粗一些，面积尽可能的大一些。只要有可能，在PCB设计时，最好设计单独的“电源面”。

 

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这也是印制电路板那本书吗？

 

小煜

    AD624是ADI公司生产的精密仪表放大器电路，具有峰峰值＜0.2μV（0.1Hz～10Hz）的低噪声，＜5×10-6/℃（G=1）的低增益漂移，非线性<0.001％（G＝1～200），共模抑制比最小为130dB（G＝500～1000），输入失调电压最大为25μV，输入失调漂移最大为0.25μV/℃，增益带宽为25MHz，利用引脚端可设置增益为1、100、200、500或者1000，内置补偿电路，无需外接元器件。工作电源电压±6V～±18V，电流消耗5mA。工作温度范围为AD624A为-25～+85℃，AD624S为-55～+125℃。

    在一个数据采集系统中，AD624的接地电路形式如图3.1.5所示。图中，AD583是采样保持器，AD574A是一个ADC。

 

 

图3.1.5
AD624的接地电路形式

    从图3.1.5可见，该电路是一个数—模混合电路，模拟电路和数字电路各自采用单独的电源供电，放大器有信号地，采样保持电路有模拟地，ADC有数字地，请注意，九九归一， “数字地和模拟地”最后都连接在一起了。

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呵呵，讲的似乎有道理。很好。

小煜

方法一：按电路功能分割接地面

分割是指利用物理上的分割来减少不同类型线之间的耦合，尤其是通过电源线和地线的耦合。按电路功能分割地线例如图5.7.18所示，利用分割技术将4个不同类型电路的接地面分割开来，在接地面用非金属的沟来隔离四个接地面。每个电路的电源输入都采用LC滤波器，以减少不同电路电源面间的耦合。对于各电路的LC滤波器的L和C来说，为了给每个电路提供不同的滤波特性，最好采用不同数值。高速数字电路由于其具有高的瞬时功率，高速数字电路放在电源入口处。接口电路考虑静电释放（ESD）和暂态抑制的器件或电路等因素，位于电源的末端。

图5.7.18
按电路功能分割接地面例

在一块印刷电路板上，按电路功能接地布局的设计例如图5.7.19 [18]所示，当模拟的、数字的、有噪声的电路等不同类型的电路在同一块印刷电路板上时，每一个电路都必须以最适合该电路类型的方式接地。然后再将不同的地电路连接在一起。 

图5.7.19
按电路功能接地布局的设计例

二． 采用局部接地面

振荡器电路、时钟电路、数字电路、模拟电路等可以被安装在一个单独的局部接地面上。这个局部接地面设置在PCB的顶层，它通过多个通孔与PCB的内部接地层（0V参考面）直接连接，一个设计例如图5.7.20所示。

     将振荡器和时钟电路安装在一个局部接地面上，可以提供一个镜像层，捕获振荡器内部和相关电路产生的共模RF电流，这样就可以减少RF辐射。当使用局部接地面时，注意不要穿过这个层来布线，否则会破坏镜像层的功能。如果一条走线穿过局部化接地层，就会存在小的接地环路或不连续性电位。这些小的接地环路在射频时会引起一些问题。

    如果某器件应用不同的数字接地或不同的模拟接地，该器件可以布置在不同的局部接地面，通过绝缘的槽实现器件分区。进入各部件的电源电压使用铁氧体、磁珠和电容器进行滤波。一个设计例如图5.7.21和图5.7.22所示。

图5.7.20

局部接地面

三：PCB采用“无噪声”的I/O地与“有噪声”的数字地分割设计

为了使用电缆去耦或屏蔽技术来抑制共模噪声，在PCB设计时，需要考虑为电缆的去耦（将电流分流到地）和屏蔽提供没有受到数字逻辑电路噪声污染的“无噪声”或者“干净”的地。

    如图10.1.10所示，在PCB设计布局时，将所有的I/O线都布放在PCB上的某一个区域，并为这个区域提供专门分割出来的低电感的I/O地，并将I/O地单点连接到数字逻辑电路的地，使数字逻辑地电流不能够流到“无噪声”的I/O地。

时钟电路和时钟信号线应当远离I/O接口区域。

四：PCB分割的两个问题：隔离和互连

PCB分割需要解决两个问题：一个是隔离，另一个是互连。

PCB上的隔离可以通过使用“壕”来实现，如图10.1.26所示，即在PCB所有层上形成没有敷铜的空白区，“壕”的最小宽度为50 mil。“壕”将整个PCB按其功能不同分割成一个个的“小岛”。 很显然，“壕”将镜像层分割，形成每个区域独立的电源和地，这就可以防止RF能量通过电源分配系统从一个区域进入另一个区域。

“隔离”不是目的。作为一个系统，各功能区是需要相互连接的。分割是为了更好地安排布局和布线，以实现更好的互连。因此，必须为那些需要连接到各个子功能区域的线路提供通道。通常采用的互连的方法有两种：一种是使用独立的变压器、光隔离器或者共模数据线跨过“壕”，如图10.1.26（a）所示；另一种就是在“壕”搭“桥”，只有那些有“过桥通行证”的信号才能进（信号电流）和出（返回电流），如图10.1.26（b）所示。

   设计一个最优化的分割布局是困难的，还可以采用金属屏蔽等方法将所产生的、不期望的RF能量进行屏蔽，从而控制辐射并增强PCB的抗干扰能力。

五：采用 “统一地平面”形式

在ADC或者DAC电路中，需要将ADC或者DAC的模拟地和数字地引脚连接在一起时，一般的建议是：将AGND和DGND引脚以最短的引线连接到同一个低阻抗的地平面上。

如果一个数字系统使用一个ADC，如图10.1.29所示，可以将“地平面”分割开，在ADC芯片的下面把模拟地和数字地部分连接在一起。但是要求，必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽，并且任何信号线都不能跨越分割间隙。

如果一个数字系统中有多个ADC，如果在每一个ADC的下面都将模拟地和数字地连接在一起，则会产生多点相连，模拟地和数字地的“地平面”分割也就没有意义。 对于这种情况，可以使用一个“统一的地平面”。如图10.1.30所示，将统一的地平面分为模拟部分和数字部分。这样的布局、布线既满足对模拟地和数字地引脚低阻抗连接的要求，同时又不会形成环路天线或偶极天线所产生的EMC问题。

    最好的方法是开始设计时就用统一地。如图10.1.30所示，将统一的地分为模拟部分和数字部分。这样的布局、布线既满足对模拟地和数字地引脚低阻抗连接的要求，同时又不会形成环路天线或偶极天线所产生的EMC问题。

因为大多数A/D转换器晶片内部没有将模拟地和数字地连接在一起，必须由外部引脚实现模拟地和数字地的连接，任何与DGND连接的外部阻抗都会由寄生电容将更多的数位噪声耦合到IC内部的模拟电路上。而使用一个“统一的地平面”，需要将A/D转换器的AGND和DGND引脚都连接到模拟地上，但这种方法会产生如数字信号去耦电容的接地端应该接到数字地还是模拟地的问题。

（3）采用数字电源和模拟电源分割的电源面

    在数模混合的系统中，通常采用独立的数字电源和模拟电源分别供电。在混合信号的PCB上采用分割的电源平面。应注意的是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙，而只有在紧邻大面积“地”的信号层上的信号线才能跨越该间隙。可以将模拟电源以PCB走线或填充的形式而不是一个电源平面来设计，就可以避免电源面的分割问题。

陈导

茅塞顿开啊 。。。。。。。。  呵呵

 

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zxiaohei

很好，谢谢楼主分享