模擬地與數字地詳解

轉自：  http://blog.csdn.net/kevinhg/article/details/12080751

 兩者本質是一直的，就是數字地和模擬地都是地。要明白爲何要分開，先聽一個故事；咱們公司的商務樓，2樓是搞模擬的，3樓是搞數字的，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，但天天上下班的時候就不得了了，人多得很，搞數字的要上3樓，老是被2樓搞模擬的人影響，2樓模擬的人要下樓，老是要等電梯上了3樓再下來，互相影響非常麻煩，商務樓的物業爲解決這個問題，提出了2個方案：第1個（笑死人了）電梯擴大，能夠裝更多的人，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，有一個辦法到挺好，你們索性不要電梯，直接往下跳，無論2樓的3樓的，確定解決問題，但確定會出問題（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，另外一部專門上3樓，Wonderful！太機智了，這樣2層樓面的工做人員就互不影響了。明白了否？

       數字地、模擬地互相會影響不是由於一個叫數字，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咱們在PCB上布得地線。模擬迴路的電流走這條線，數字迴路的電流也走這條線，原本無可厚非，線布着就是用來導通電流的，可問題出在這根線上有電阻！並且最根本的問題是走這條線的電流要去2個不一樣的迴路。假設一下：有2股電流，數流，模流同時從地出發。有2個器件：數字件和模擬件。若2個迴路不分開，數流模流走到數字件的接地端前的時候，損耗的電壓爲V=（數流+模流）X走線電阻，至關於數字器件的接地端相對於地端升高了V，數字器件不滿意了，我認可會升高少量電壓，數流的那部分我認了，但模流的爲何要加在我頭上？同理模擬器件也會一樣抱怨！

       兩個解決方案：第1個：你布的PCB線沒有阻抗，天然不會引發干擾，就像二、3樓直接往下跳，那是井道最寬的時候，也就是能夠裝一個無限大的電梯，天然誰都不影響誰，但誰都知道，This is mission impossible！第2個：2條迴路分開走，數流，模流分開，既數地、模地分開。

       同理，有時雖在模擬迴路中，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個不一樣迴路中的電流在PCB走線上引發的電壓，這2部分電壓互相疊加而產生的。       

       下面再具體介紹，簡單來講，數字地是數字電路部分的公共基準端，即數字電壓信號的基準端；模擬地是模擬電路部分的公共基準端，模擬信號的電壓基準端（零電位點）。
1、分爲數字地和模擬地的緣由
       因爲數字信號通常爲矩形波，帶有大量的諧波。若是電路板中的數字地與模擬地沒有從接入點分開，數字信號中的諧波很容易會干擾到模擬信號的波形。當模擬信號爲高頻或強電信號時，也會影響到數字電路的正常工做。模擬電路涉及弱小信號，可是數字電路門限電平較高，對電源的要求就比模擬電路低些。既有數字電路又有模擬電路的系統中，數字電路產生的噪聲會影響模擬電路，使模擬電路的小信號指標變差，克服的辦法是分開模擬地和數字地。
       存在問題的根本緣由是，沒法保證電路板上銅箔的電阻爲零，在接入點將數字地和模擬地分開，就是爲了將數字地和模擬地的共地電阻降到最小。
2、數字地和模擬地處理的基本原則以下
       若是把模擬地和數字地大面積直接相連，會致使互相干擾。不短接又不妥。對於低頻模擬電路，除了加粗和縮短地線以外，電路各部分採用一點接地是抑制地線干擾的最佳選擇，主要能夠防止因爲地線公共阻抗而致使的部件之間的互相干擾。
       而對於高頻電路和數字電路，因爲這時地線的電感效應影響會更大，一點接地會致使實際地線加長而帶來不利影響，這時應採起分開接地和一點接地相結合的方式。另外對於高頻電路還要考慮如何抑制高頻輻射噪聲，方法是：儘可能加粗地線，以下降噪聲對地阻抗；滿接地，即除傳輸信號的印製線之外，其餘部分全做爲地線。不要有無用的大面積銅箔。
       地線應構成環路，以防止產生高頻輻射噪聲，但環路所包圍面積不可過大，以避免儀器處於強磁場中時，產生感應電流。但若是隻是低頻電路，則應避免地線環路。數字電源和模擬電源最好隔離，地線分開佈置，若是有A/D，則只在此處單點共地。低頻中沒有多大影響，但建議模擬和數字一點接地。高頻時，可經過磁珠把模擬和數字地一點共地。
3、四種解決方法
       模擬地和數字地間的串接能夠採用四種方式：一、用磁珠鏈接；二、用電容鏈接（利用電容隔直通交的原理）；三、用電感鏈接（通常用幾uH到數十uH）；四、用0歐姆電阻鏈接。下面重點介紹一下磁珠和0歐姆電阻：

       通常狀況下，用0歐電阻是最佳選擇，一、可保證直流電位相等；二、單點接地，限制噪聲；三、對全部頻率的噪聲都有衰減做用（0歐也有阻抗，並且電流路徑狹窄，能夠限制噪聲電流經過）；四、電容（利用電容隔直通交的原理）。
       磁珠採用在高頻段具備良好阻抗特性的鐵氧體材料燒結面成，專用於抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峯干擾，還具備吸取靜電脈衝的能力。磁珠有很高的電阻率和磁導率，等效於電阻和電感串聯，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，在高頻時呈現阻性，因此能在至關寬的頻率範圍內保持較高的阻抗，從而提升調頻濾波效果。磁珠對高頻信號纔有較大阻礙做用，通常規格有100歐/100mMHZ，它在低頻時電阻比電感小得多。鐵氧體磁珠（Ferrite Bead）是目前應用發展很快的一種抗干擾組件，廉價、易用，濾除高頻噪聲效果顯着。

       鐵氧體磁珠不只可用於電源電路中濾除高頻噪聲（可用於直流和交流輸出），還可普遍應用於其它電路，其體積能夠作得很小。特別是在數字電路中，因爲脈衝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，因此可在這種場合發揮磁珠的做用。在電路中只要導線穿過它便可。當導線中電流穿過期，鐵氧體對低頻電流幾乎沒有什麼阻抗，而對較高頻率的電流會產生較大衰減做用。

四.電感與磁珠的區別
       有一匝以上的線圈習慣稱爲電感線圈，少於一匝（導線直通磁環）的線圈習慣稱之爲磁珠。電感是儲能元件，而磁珠是能量轉換（消耗）器件，電感多用於電源濾波迴路，磁珠多用於信號迴路，用於EMC對策；磁珠主要用於抑制電磁輻射干擾，而電感用於這方面則側重於抑制傳導性干擾。二者均可用於處理EMC、EMI問題；電感通常用於電路的匹配和信號質量的控制上，在模擬地和數字地結合的地方用磁珠。
      做爲電源濾波，可使用電感。磁珠的電路符號就是電感可是型號上能夠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，只是頻率特性不一樣罷了;磁珠由氧磁體組成，電感由磁心和線圈組成，磁珠把交流信號轉化爲熱能，電感把交流存儲起來，緩慢的釋放出去。
       電感是儲能元件，而磁珠是能量轉換（消耗）器件；電感多用於電源濾波迴路，磁珠多用於信號迴路，用於EMC對策；磁珠主要用於抑制電磁輻射干擾，而電感用於這方面則側重於抑制傳導性干擾。二者均可用於處理EMC、EMI問題。磁珠是用來吸取超高頻信號，象一些RF電路，PLL，振盪電路，含超高頻存儲器電路（DDR SDRAM，RAMBUS等）都須要在電源輸入部分加磁珠，而電感是一種蓄能元件，用在LC振盪電路，中低頻的濾波電路等，其應用頻率範圍不多超過50MHZ。
5、幾種方法綜述
        電容隔直通交，形成浮地。電容不通直流，會致使壓差和靜電積累，摸機殼會麻手。若是把電容和磁珠並聯，就是多此一舉，由於磁珠通直，電容將失效。串聯的話就顯得不三不四。
　　電感體積大，雜散參數多，特性不穩定，離散分佈參數很差控制，體積大。電感也是陷波，LC諧振(分佈電容)，對噪點有特效。
　　磁珠的等效電路至關於帶阻陷波器，只對某個頻點的噪聲有抑制做用，若是不能預知噪點，如何選擇型號，何況，噪點頻率也不必定固定，故磁珠不是一個好的選擇。
        0歐電阻至關於很窄的電流通路，可以有效地限制環路電流，使噪聲獲得抑制。電阻在全部頻帶上都有衰減做用(0歐電阻也有阻抗)，這點比磁珠強。
        總之，關鍵是模擬地和數字地要一點接地。建議，不一樣種類地之間用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。