模拟电路和数字电路接地层不能分割的原因

看到一篇关于PCB接地测量的好文章，机器翻译，怎么看都不爽，自己尝试修改下，与大家共享。

永远不要在模拟和数字电路之间分割地层

为了说明为什么会这样？请考虑下图中的模数混合板的PCB布局，在模拟电路和数字电路之间对接地层进行了地分割；但是在这种情况下，间隙在三个侧面围绕模拟电路。

图 1.左边是分割后的混合信号板布局（a），右边是更好的替代布局（b）

如果考虑返回电流，虽然模拟电路和数字电路部分隔离开了，但是分割地层后有四条数字走线将D/A转换器连接到其中一个数字元件，这些信号也需要返回路径。这些电流必须从D/A元件的接地引脚到达数字元件的接地引脚，分割后迫使这些电流与模拟电流共享平面的同一区域，模数信号混合了，没有起到分割的作用。

不能分割的原因：

1. 数字和模拟信号的工作频率在高于约100 kHz的频率下，接地层上的返回电流被限制在信号走线正下方的区域。

2. 即使在kHz频率或更低频率下，电路板接地层的电阻也小于1 mΩ/平方。比如10A经过1 mΩ的电阻，会产生10mV的电压，对于某些场景，这个电压可以忽略。

3. 在不能容忍mV级别耦合的情况下，最好将返回路径分布在不同的层上。

单点和多点接地

如图2所示。模拟返回电流有两种可能的路径。它可以在走线上返回，也可以在平面上返回。电流将根据每条路径的电阻进行分配，允许大量的模拟电流返回平面。同样，一些数字电流将在模拟电流返回路线上流动。

图 2接地层上的近似返回电流分布

一般来说，如果两个电流返回路径连接在一个以上的点上，则它们在低频下不会隔离。单点接地是EMC中的一个重要概念，尽管设计人员经常误解它，因为他们没有正确区分电流返回路径和接地的概念。

图 3. 单点接地

图3说明了单点接地概念，隔离电路或系统通过非载流接地导体连接到单个点。

图4显示了另一种实现方式，其中接地导体连接在多个点，但它们仍然以单个点为参考。其中一个例子是建筑物中的电源接地，每个接地设备都有一条通往建筑电气服务的专用有线路径，在多个点连接接地导体不会降低接地方案的有效性。

图 4. 另一个单点接地实现

虽然单点接地是确保隔离电路具有相同零伏基准的重要概念，但如果接地导体承载信号或电源电流，则单点接地不起作用。

在图5中，中间和右侧电路不是隔离的。从负载返回到中间电路源的电流现在可以选择通过预期的蓝色导体返回，或者通过与右侧电路的附加连接通过“单点”接地返回中间电路。

图 5.这不是单点接地

重要的是要记住，单点接地是确保隔离电路和设备具有相同零伏基准的重要策略。另一方面，单点电流返回通常是导致严重电磁耦合问题的根本原因。

图 6.多点接地。

单点接地策略的替代方案是多点接地策略，如图6所示。

采用接地结构的系统通常会在多个点上连接未与接地结构隔离的电路和模块。图 7 演示了一个简单的示例。在这种情况下，中间和右侧电路之间的连接允许低频返回电流在接地结构上流动。在这些频率下，该结构将更准确地描述为电流返回结构。在提出接地策略时，重要的是要认识到导电结构在某些频率下可以提供接地功能，而在另一些频率下可以提供电流返回功能。

图 7.混合接地策略。

接地策略

1. 适当的电流返回策略通常侧重于为高频电流提供低电感路径，并保持对低频电流路径的控制；

2. 正确的接地策略侧重于识别和保护每个电路和系统的零伏基准电压源；

3. 确定接地结构。在系统级，接地结构总是金属外壳或框架；在板级，如果板连接到框架，那么板接地应该是连接发生的地方；

4. 所有大型金属物体应与地面结构连接。如果做不到，则必须与地面结构充分隔离，以保证不会发生严重的耦合。

审核编辑：汤梓红