层叠之数字地与模拟地

来源:一博自媒体 时间:2016-7-27 类别:微信自媒体

文 | bruce   一博科技高速先生团队队长   层叠设计序列文章

1、 数字地与模拟地

再次引用下周伟的这篇文章:所有以电压电平为工作特性的电气设备都需要有参考,也就是说电压电平都是相对于这个参考来说的,而这个参考绝大多数情况下是0v,最后大家约定俗成的把这个0v参考叫成了“地”。

点击回顾全文:EMC与地之重新认识地

题外话:看过小编之前文章的朋友,都知道小编喜欢偶尔听听逻辑思维,罗胖子在7月9号的文章叫《时间分配的学问:“睡着”就能挣钱》。提到说写文章就是高杠杆率的工作,把一个问题谈透之后,这个矿就是你的。当别人碰到类似的话题的时候是绕不过你的文章的。高速先生的文章不知道什么时候能达到这个境界,能让大家提到串扰,端接,阻抗这些话题,第一时间想到就是我们的文章。朝这个方向努力哈,至少现在我想到要写和“地”相关的文章的时候,我就会想起引用周伟的这篇文章,以及江南兄经典的回答互动:

“对于长江,归流到东海;对于湘江,归流到长江;对于浏阳河,弯过了几道湾到湘江。大地就像海洋,信号就像降水,河流就像信号回流,信号总是寻找阻抗最低的导体回流。海平面虽然是归宿又精准,但让海拔100米,局部小区域的湘潭的河水奔流到海,巨大落差,激起千层浪。 远亲不如近邻,对于信号来说,阻抗最低的邻居是最好的回流路径。”

所以,数字地也好,模拟地也罢,都是朝着海平面归流而去。之所以区分出来数字地,模拟地,只是因为我们希望模拟地更加“干净”,不要被数字地的“噪声”所干扰。

2、 数模混合设计的几种“地”分割方法

我们先不讲“地”吧,先讲讲一个故事:

Long long ago, far far away, 有一个小岛,岛离大陆之间有一个海峡,大家隔海相望。岛上的人们过着与世隔绝的生活,一切自给自足。大陆上则是灯红酒绿声色犬马,但是这一些都影响不到岛民,因为中间隔着一个海峡。

岛上只能种菜,畜牧,但是手工业不发达,岛民希望能从大陆买来更多的生活物品,大陆也希望能从岛上采购原生态的蔬果以及新鲜的牛奶。需求产生动力,大家从大陆造了一座桥连接这个海岛,桥上设了关卡,出入要检查“通行证”,交易要收税。甚至还颁布了“限奶令”,规定一次只能从岛上带两瓶牛奶,带多了要处罚。于是牛车马车汽车从桥上经过,在交换各种物品的时候,岛民也接触到了大陆更加嘈杂的生活方式,心生向往。这时候,如果有人不从桥上走,而是直接跳海游过去,或者造个小船运货,这叫“走私”或者“偷渡”,抓到是要重罚的。

随着海岛与大陆的生意越来越繁忙,更多的车子要进出,一座桥已经忙不过来,于是要造更多的桥,甚至直接填海,把海岛和大陆连为一体。大家可以自由进出,但是不能擅自定居。

引用下《Cadence印刷电路板设计:Allegro PCB Editor设计指南(第2版)》这本书的数模混合设计建议章节:

下面介绍实际设计中针对模拟数字电源地的分区和分割问题,以及接地的技巧。

如图10-25所示,是数模混合设计进行地区域分割的几种常见方式: 

1、对数模电源地区域进行严格分割,但是实际布线没有区分区域,带来跨分割情况严重,这是需要严格避免的设计方式,会带来严重的信号质量问题和EMC问题。

2、对数模电源地区域进行分割,同时保持某一点连接(单点连接,也就是搭桥,宽度视需要穿过分割区的网络数量而定)如果网络太多,需要搭接的桥面太宽,也会失去分割的意义。同时如果数模之间的布线太多且无规律,需要搭好几个连接点(桥面)的时候,这种设计也是没有意义的。

3、这是分割同时搭桥方法的衍生,由于A/D器件的存在,所以直接把A/D器件作为桥,数模的信号在A/D上进行桥接。

4、同理,当不止一个A/D器件存在时,等同于桥面太宽,这时候分割的意义不大,但是还是需要数模部分电路严格分区。这种做法也适用于无A/D器件的其他数模混合设计情况,如果大量的信号需要穿过数模区域,那么也是在布局的时候,严格区分数字模拟区域,但是在设计中,不对数模的电源地进行分割,这也就是上面所介绍的混合接地的设计方式。


(a)分割但是不分区(b)分割同时搭桥(c)分割且分区 (d)分区但是不分割

图10-25 数模电源、地设计方法

单点接地常见使用A/D器件或者磁珠(电阻),如图10-26所示就是一个使用磁珠进行单点搭接的实际PCB设计案例。

 图10-26 使用磁珠进行单点接地

 看看数模混合设计时,数字地与模拟地的处理方式,和开始的那个故事是不是很像呢?

小岛和大陆完全隔绝的时候,大陆对小岛的影响最小,就像数字和模拟完全分区并且分割,中间没有任何信号互相穿过。

实际设计中,数字和模拟之间总是有信号通过的,就像小岛最终要和大陆交易,这时候数字和模拟要严格分区,同时进行分割,然后搭一座桥单点连接,所有信号必须从桥上走。

如果数模之间有很多信号从不同的方向都要互相穿过,一座桥满足不了需求,这时候数字和模拟还是建议严格分区,但是不做分割。

 

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