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模擬電路PCB設計接地問題精華總結

  在PCB設計中,模擬地/數字地以及模擬電源/數字電源這幾個概念是會被工程師經常提到的,實際上這些概念只不過是相對的,而其存在的前提就是數字電路對模擬電路的干擾已經達到了一定的地步,據小編了解,目前的標準處理辦法有兩種:其一是地線從整流濾波后就分為2根,其中一根作為模擬地,所有模擬部分的電路地全部接到這個模擬地上面;另一根為數字地,所有數字部分的電路地全部接到這個數字地上面。第二種方法是直流電源穩壓芯片出來,經過濾波后同樣分為2根,其中一根經過LC/RC濾波后作為模擬電源,所有模擬部分的電路電源全部接到這個模擬電源上面;而另一根為數字電源,所有數字部分的電路電源全部接到這個數字電源上面。

  基于以上問題需要注意的是模擬地/數字地以及模擬電源/數字電源除了在電源的開始部分有一點連接外,不能再有任何連接。

  AVCC:模擬部分電源供電;AGND:模擬地

  DVCC:數字部分電源供電;DGND:數字地

  這樣區分是為了將數字部分和模擬部分隔離開,減小數字部分帶給模擬電路部分的干擾。但這兩部分不可能完全隔離開,數字部分和模擬部分之間是有連接的所以,在供電時至少地應該是在一起的,所以AGND和DGND之間要用0歐姆的電阻或磁珠或電感連接起來,這樣的一點連接就能夠減小干擾。同樣,如果兩部分的供電電源相同也應該采用這樣的接法。

  在電子系統設計中,為了少走彎路和節省時間,應充分考慮并滿足抗干擾性的要求,避免在設計完成后再去進行抗干擾的補救措施。形成干擾的基本要素有三個:

  (1)干擾源,也就是產生干擾的元件、設備或信號,用數學語言描述如下:du/dt,di/dt大的地方就是干擾源。比如:雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。

  (2)傳播路徑,是干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導線的傳導和空間的輻射。

  (3)敏感器件,容易被干擾的對象。比如:A/D、D/A變換器,單片機,數字IC,弱信號放大器等。抗干擾設計的基本原則是抑制干擾源,切斷干擾傳播路徑,提高敏感器件的抗干擾性能。(類似于傳染病的預防)

  那么在電源電路設計中如何抑制干擾源,這就成了首要問題:

  抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt,di/dt。這是抗干擾設計中最優先考慮和最重要的原則,常常會起到事半功倍的效果,減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯電容來實現,減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯電感或電阻以及增加續流二極管來實現。

  抑制干擾源的常用措施如下:

  (1)繼電器線圈增加續流二極管,消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾。僅加續流二極管會使繼電器的斷開時間滯后,增加穩壓二極管后繼電器在單位時間內可動作更多的次數;

  (2)在繼電器接點兩端并接火花抑制電路(一般是RC串聯電路,電阻一般選幾K到幾十K,電容選0.01uF),減小電火花影響;

  (3)給電機加濾波電路,注意電容、電感引線要盡量短;

PT老虎机   (4)電路板上每個IC要并接一個0.01μF~0.1μF高頻電容,以減小IC對電源的影響。注意高頻電容的布線,連線應靠近電源端并盡量粗短,否則,等于增大了電容的等效串聯電阻,會影響濾波效果;

  (5)布線時避免90度折線,減少高頻噪聲發射;

  (6)可控硅兩端并接RC抑制電路,減小可控硅產生的噪聲(這個噪聲嚴重時可能會把可控硅擊穿的)。

  按干擾的傳播路徑可分為傳導干擾和輻射干擾兩類。傳導干擾是指通過導線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶不同,可以通過在導線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播,有時也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大,要特別注意處理。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離,用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩。

  切斷干擾傳播路徑的常用措施如下:

  (1)充分考慮電源對單片機的影響。電源做得好,整個電路的抗干擾就解決了一大半,許多單片機對電源噪聲很敏感,要給單片機電源加濾波電路或穩壓器,以減小電源噪聲對單片的干擾。比如,可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路,當然條件要求不高時也可用100Ω電阻代替磁珠;

  (2)注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近,用地線把時鐘區隔離起來,晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問題;

  (3)電路板合理分區,如強、弱信號,數字、模擬信號。盡可能把干擾源(如電機,繼電器)與敏感元件(如單片機)遠離;

  (4)用地線把數字區與模擬區隔離,數字地與模擬地要分離,最后在一點接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則,廠家分配A/D、D/A芯片引腳排列時已考慮此要求;

  (5)單片機和大功率器件的地線要單獨接地,以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣;

  (6)如果單片機的I/O口用來控制電機等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應加隔離(增加π形濾波電路)。控制電機等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應加隔離(增加π形濾波電路);

  (7)在單片機I/O口,電源線,電路板連接線等關鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環、電源濾波器,屏蔽罩,可顯著提高電路的抗干擾性能。

  提高敏感器件的抗干擾性能可以理解為從敏感器件這邊考慮盡量減少對干擾噪聲的拾取,以及從不正常狀態盡快恢復的方法。其常用措施包括:

  (1)IC器件盡量直接焊在電路板上,少用IC座。

  (2)布線時盡量減少回路環的面積,以降低感應噪聲;

  (3)布線時,電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲;

PT老虎机   (4)對于單片機閑置的I/O口,不要懸空,要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統邏輯的情況下接地或接電源;

  (5)對單片機使用電源監控及看門狗電路,如:IMP809,IMP706,IMP813,X25043,X25045等,可大幅度提高整個電路的抗干擾性能;

  (6)在速度能滿足要求的前提下,盡量降低單片機的晶振和選用低速數字電路;

  為了達到很好的抗干擾,會常看到PCB板上有地分割的布線方式,但是也不是所有的數字電路和模擬電路混合都一定要進行地平面分割。因為這樣分割是為了降低噪聲的干擾。

  分析其中的原因其實是在數字電路中一般的頻率會比模擬電路中的頻率要高,而且它們本身的信號會跟地平面形成一個回流(因為在信號傳輸中,銅線與銅線之間存在著各種各樣的電感和分布電容),如果把地線混合在一起,那么這個回流就會在數字和模擬電路中相互串擾,而需要分開就是讓它們只在自己本身內部形成一個回流。它們之間只用一個零歐電阻或是磁珠連接起來就是因為原來它們就是同一個物理意義的地,現在布線把它們分開了,最后還應該把它們連接起來。

  如何分析它們是屬于數字部分呢還是模擬部分?這個問題常常是我們在具體畫PCB時得考濾的。如果要判斷一個元件是屬于模擬的,還是數字的關鍵是看與它相關的主要芯片是數字的還是模擬的。比如:電源它可能給模擬電路供電,那它就是模擬部分的,如果它是給單片機或是數據類芯片供電,那它就是數字的。當它們是同一個電源時就需要用一個橋的方法把一個電源從另一個部分引過來。最典形的就是D/A了,它應該是一個一半是數字,一半是模擬的芯片。

  模擬電路涉及弱小信號,但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。

  對于低頻模擬電路,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致的部件之間的互相干擾。

  對于高頻電路和數字電路,由于這時地線的電感效應影響會更大,一點接地會導致實際地線加長而帶來不利影響,這時應采取分開接地和一點接地相結合的方式;另外對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,以降低噪聲對地阻抗;滿接地,即除傳輸信號的印制線以外,其它部分全作為地線。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,以免儀器處于強磁場中時,產生感應電流。但如果只是低頻電路,則應避免地線環路。數字電源和模擬電源最好隔離,地線分開布置,如果有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,可通過磁珠把模擬和數字地一點共地。

PT老虎机   如果把模擬地和數字地大面積直接相連,會導致互相干擾。不短接又不妥,理由如上有四種方法解決此問題∶用磁珠連接、用電容連接、用電感連接、以及0歐姆電阻連接。

  磁珠的等效電路相當于帶阻限波器,只對某個頻點的噪聲有顯著抑制作用,使用時需要預先估計噪點頻率,以便選用適當型號。對于頻率不確定或無法預知的情況,磁珠不合。

PT老虎机   而電容隔直通交,會造成浮地。電感體積大,雜散參數多,同樣會導致不穩定。

  那么最后說道0歐電阻,它相當于很窄的電流通路,能夠有效地限制環路電流,使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗),這點要比磁珠強。

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