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模拟地和数字地引发的思考

各位同行朋友们晚上好,我最近遇到了一个问题,PCB板在布局的时候,电路中的模拟地(AGND)与数字地(DGND)到底是分开在最后单点连接,还是不需要严格的区分?

我相信这个问题肯定也困扰大家很久了,下面是我的一些总结和分享,希望能起到抛砖引玉的作用,对大家的设计起到帮助。

我们都知道PCB布局的时候需要遵循的Layout的规则比较多,这些规则的制定,其目的都是为了使产品的可靠性更好,性能更加。模拟地和数字地是否在布局的时候进行区分,在电子行业也是老生常谈的一个问题,这不是刚好遇到这个问题,趁此机会对这个问题研究一下。

首先我比较好奇的是,为什么会有模拟地和数字地这两个概念的出现?

目前在网上能找到的资料,基本上都是告诉你,有100种办法可以让你将二者分开,而且支撑的理论也非常多,但是AGND和DGND什么时候被引入到电子行业的讲解几乎没有!

经过在网上查找资料,据说区分AGND和DGND这两个概念,最早出现在音频ADC年代。可能是当年前辈在做音频设备的时候,由于音频设备中模拟器件的地和数字器件的地没有区分地,导致音频设备的指标一直达不到设计的值,最后分析的原因是:AGND和DGND在布局的时候没有进行区分。

从那时候开始,就有了AGND和DGND这两个名字。当然,概念的出现,伴随着也出现了非常多的相关理论来解释这样做的必要性。

 随着半导体技术的进一步发展,电子设备出现的种类越来越多,产品的形态也越来越复杂,其中比较明显的一个改变就是:信号从几M上升到了几百M,低速的信号变成了高速信号。

由于模拟地和数字地的概念出现后,到了高速电路时代,按照以前的设计又出现了:隔离地出现问题,不隔离地又正常的现象。

上图是说,LINEAR的FAE经理说在高速数字电路设计中,不区分地反而更好。

在《哲学原理》里面马克思说过:事物的辩证发展从形式上看,是螺旋式上升或波浪式前进,方向是前进上升的,道路是迂回曲折的,是前进性与曲折性的统一。同样,我们对某一个知识的认知,也不是一蹴而就,需要经历螺旋式上升的过程。

以前都认为AGND和DGND区分开对系统的稳定性是有好处,但是现在却出现了问题,为什么有的工程师在布局的时候要强调做区别,有的工程师在布局的时候又强调可以不做区分?

带着上面这个问题,我在“阿莫电子论坛”,针对模拟地和数字地关键词进行了搜索。

从搜索的结果看,差不多有121个相关的问题都是在讨论PCB的“地”布局。

上面这个问题楼主的提问是:模拟地直接全部铺铜好,还是直接连线好?

要解决这个问题,必须先搞清楚,AGND和DGND有什么区别?

模拟地和数字地的信号最后都要回流到地,数字信号变化的速度快,在0与1之间翻转的过程,其实是内部的逻辑门电路的驱动状态在随之发生改变,这些改变就会引起电压和电流的波动。无论是dv/dt,还是di/dt的变化,在“地”上都会引起较大的噪声。但是模拟信号是需要一个很干净的地作为参考平面。

通俗的讲就是:数字地就像是波涛汹涌的大海,而模拟地就像是风平浪静的小溪。

那针对上面模拟地怎么铺铜的疑问,答案肯定是只要是模拟地部分,可以使用一块铜,作为模拟信号的整块参考地。

上面这个楼主建议AGND和DGND不用进行严格的区分,在四层板布局时,中间两层专门拿出来当参考层并且不区分,表层的走线打孔到参考层,不区分“地”自身阻抗低,“地”平面足够大,能够将数字信号产生的噪声完全稀释掉,从而看不到电压的变化。

形象的理解就是,你往风平浪静的小溪中倒一杯水,小溪依旧是风平浪静。

但是这里有个疑问?如果数字信号干扰比较强烈,参考层并没有大到让数字信号的噪声淹没在其中?也就是四层板可能刚好在这个项目上不试用,而需要八层板才能达到这个效果呢?

就在楼上说完不用分地的时候, 下面一个NF的精密电源,在PCB板上电源输入的地方进行开槽,Top层只铺铜,不走线,在Bottom层只走线,不铺铜。

开槽的目的应该是限制电源输入点大电流回流路径的方向,让电流仅仅从开槽的一边回流。其实这有点像现在马路上的机动车和人行道一样,使用一个栅栏区分开。

但是下面这一块马兰士的CD,数字IC芯片PCM1716的数字地和模拟地是没有分开的。

看了上面这些案例,其实还是不知道到底是区分AGND和DGND还是不区分。

既然这个问题没有一个确切的答案,我们在设计电路的时候,可以根据项目的特点进行选择。找到一些资料,在后期可以在设计上参考参考。

上面的设计是参考的 Johnson, H., High-Speed Digital Design. Prentice Hall, 1993。

这个设计是参考的ADI的《GROUNDING IN MIXED SIGNAL SYSTEMSWalt Kester, James Bryant》。

说到模拟地和数字地,有三个器件,必须要介绍一下它们的区别,在区分模拟地和数字地的时候,经常用到——磁珠,0Ω电阻以及电感。

磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰,还具有吸收静电脉冲的能力。磁珠是用来吸收超高频信号,像一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR,SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,

电感是一种蓄能元件,用在LC振荡电路,中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHZ 磁珠有很高的电阻率和磁导率,等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。

0欧姆电阻是阻值为0电阻,在它的身上不会产生功耗,经常用来作单点隔离使用。

上述三种器件如果用在区分AGND和DGND上,要注意区分场合使用,特别是磁珠。用的好,电路某固定的噪声可能确实被磁珠消耗吸收掉,但是用的不好,在磁珠上也会产生压降,导致地平面存在电位差。

另外,磁珠是靠发热,产生能量来消除噪声,而电感和0Ω并不是,它们你靠的是滤波和物理单点隔离。

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  • readlove1 2022-11-30 10:47
    老师,能不能发我一下资料,谢谢! re****@****.com
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  • 一步罗华 2021-09-05 10:32
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  • yuanshusen1993 2021-03-10 10:34
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  • 星球居民-bi4JtJDJ 2020-12-01 18:44
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  • 星球居民-rDZqKgrl 2020-12-01 18:28
    学习了
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