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模拟地、数字地、主地……你的PCB地线走对了吗?

高工
2022-05-28 12:22:44     打赏

PCB layout需要丰富的经验和扎实的理论基础支持,还要多踩几个坑,多做几个仿真加深对走线的理解,才能形成闭环的走线设计。

今天给大家介绍一个和GND走线相关的案例,在手机领域会影响相机画质、在医疗领域会影响生物电信号采集信噪比,如果不理解背后的原理,只会复制原理图或PCB的话,往往达不到电路的最佳性能。

地线在PCB走线中,通常有三种作用:

  1. 回流

  2. 控制阻抗

  3. 屏蔽

image.png

今天介绍的案例是和回流相关(本次讨论以低频为主),地线上的电压波动会影响到对噪声敏感的模拟电路。

上图是一种地线走线示意图,数字电路和模拟电路的GND最终都要汇聚一起和电池的地连接。也就是说,数字电流Id和模拟电流Ia最终都要汇集在一起,那么这两路电流Id和Ia就用公用地线部分。

如上图括号内所示,一般而言,数字电流Id的波动是比较大的,而模拟电流Ia的波动略小。数字电Id的波动在共用地线部分会引起电压波动,这个波动就会被模拟电路感应到,进而引起信号质量下降,比如共用地部分的电阻是20 mΩ,而数字电流Id波动是1A,那么引起的电压波动△V就是0.02*1=0.02V,这个20mV被模拟电路的放大器感应到将会以噪声形式出现,这就是地线阻抗大的后果。

缓解的方法如下:减小地线的电阻,缩短模拟电路和数字电路共用地线,把模拟电路和数字电路通过磁珠隔离进一步压制干扰,假如数字电路电流波动不变,依然是1A,共用的地的电阻降低到2 mΩ,此时数字电路在共地部分引起的电压波动只有0.002*1=0.002V,比上面的20mV小了很多,同时,有磁珠的存在还会进一步压制这个噪声,提高模拟电路的信噪比或者是共模抑制比。

直观点说就是,不管你数字电路的地/电源怎么跳动,都影响不到我模拟电路的地/电源。

image.png

正是基于上面的介绍,所以一般电路板都会进行大面积的铺铜(大面积铺地平面,减小阻抗,增加回流能力),减少地的电阻。上面介绍的是地线的处理,对于模拟电路和数字电路共用电源的处理也是类似的方法(不过通常而言,不建议模拟电路和数字电路共用电源)。

所以,有的人就不建议在地平面上打大量的其他电气属性的孔,或者是走线,这就是通常所说的支离破碎的地,这样容易增加地线的电阻(或阻抗),甚至是有隐藏的电阻瓶颈存在被工程师忽略而引起严重的问题。比如下图高亮的红色铜皮,两块白色方框内的铜皮看起来很大,其实他们的连接仅仅只有绿色部分窄窄的一条,这里就是阻抗瓶颈。

image.png

上面提到的仅仅只是直流电压波动,对于高频数字电路而言,电流的波动更复杂,含有非常丰富的电压或电流谐波,此时就要考虑频率这个参数了;围绕频率这个参数,就要考虑地线的寄生电容或寄生电感等参数。这在高端CPU中就格外重要,PCB走线要求更严格,这就是电源的PDN设计





关键词: 模拟     数字     主地    

高工
2022-05-28 16:41:43     打赏
2楼

感谢楼主的分享,很实用了。


专家
2022-05-28 19:12:50     打赏
3楼

感谢分享


专家
2022-05-29 01:33:36     打赏
4楼

感谢楼主的分享,很实用了。


高工
2022-05-29 06:27:44     打赏
5楼

谢谢分享


专家
2022-05-29 06:54:51     打赏
6楼

感谢分享。


专家
2022-05-29 07:01:38     打赏
7楼

了解


专家
2022-05-29 07:13:55     打赏
8楼

谢谢分享。


高工
2022-05-29 08:14:07     打赏
9楼

谢谢分享


专家
2022-05-29 08:38:09     打赏
10楼

学习


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