了解pcb电路板为什么分为数字和模拟

1、为什么要划分数字和模拟

因为虽然是相连的，但是距离远了，又是不一样的。 同一根导线在不同点的电压可能不同，尤其是在电流较大的时候。 由于导体处于电阻状态，电流流动时会产生电压降。 另外，导体还有PCB分布电感，在交流信号下会表现出它的影响。 所以我们要把它分为数字和模拟，因为数字信号的高频噪声非常大。 如果模拟信号和数字信号混合在一起，噪声就会传到模拟部分，造成干扰。 如果单独接地，可以通过在电源处进行滤波来隔离高频噪声。 但如果两者混在一起，过滤就不容易了。

2、如何设计数字地和模拟地

之前必须了解电磁兼容（EMC）的两个基本原则：第一个原则是尽可能减小电流回路的面积； 第二个原则是系统只使用一个参考平面。 反之，如果系统有两个参考平面，就有可能形成偶极天线（注意：小偶极天线的辐射大小与线路长度、流过的电流和频率成正比）； 如果信号不能通过尽可能小的环路返回，可能会形成大环路天线（注意：小环路天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流、频率的平方成正比 ). 这两种情况在设计中应尽量避免。

建议在混合信号上将数字地和模拟地分开，实现数字地和模拟地的隔离。 这种方法虽然可行，但也存在很多潜在问题，尤其是在复杂的大型系统中。 最关键的问题是布线不能跨过分隔间隙。 一旦布线越过分隔间隙，电磁辐射和信号串扰将急剧增加。 PCB设计中最常见的问题是信号线穿过分界地或电源引起的EMI问题。

我们采用上面的分割方式，信号线穿过两个地之间的缝隙。 信号电流的返回路径是什么？ 假设两个分开的地在某个地方连在一起（通常是在某个位置的单点），在这种情况下，地电流会形成一个大环路。 流过大环路的高频电流会产生辐射和高接地电感。 如果低电平模拟电流流过大环路，则电流容易受到外部信号干扰。 最糟糕的是，当分地在电源处连接在一起时，会形成一个非常大的电流环路。 此外，模拟地和数字地通过一根长导线连接在一起，形成偶极天线。

了解电流返回地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。 很多pcb工程师只考虑信号电流流向哪里，而忽略了电流的具体路径。 如果地线层必须分割，必须通过分割间的缝隙走线，可以在分割地线之间做单点连接，形成两个地线之间的连接桥，然后通过连接线走线 桥。 这样，可以在每条信号线下方提供直流回流路径，从而形成的环路面积很小。

也可以采用光隔离器件或变压器来实现信号跨越隔离间隙。 对于前者，跨越分割间隙的是光信号； 在变压器的情况下，跨越分离间隙的是磁场。 另一种可能的方法是使用差分信号：信号从一条线路流入并从另一条信号线路返回，在这种情况下，它们不需要作为返回路径。

要想深入探讨数字信号对模拟信号的干扰，首先要了解高频电流的特性。 高频电流始终选择阻抗（电感）最低且信号正下方的路径，因此无论相邻层是电源层还是接地层，返回电流都会流过相邻的电路层。 在实际工作中，一般倾向于采用统一的方法，将PCB分为模拟部分和数字部分。 模拟信号走线在电路板各层的模拟区，而数字信号走线在数字电路区。 在这种情况下，数字信号返回电流不会流向模拟信号的地。

只有当数字信号走线在电路板的模拟部分或模拟信号走线在电路板的数字部分时，数字信号才会对模拟信号产生干扰。 不会出现这种问题，因为没有划分。 真正的原因是数字信号的布线不当。 PCB设计采用统一的方式。 通过数字电路和模拟电路的分区和适当的信号布线，通常可以解决一些比较难的布局和布线问题，也不会因为地线分割而带来一些潜在的麻烦。 在这种情况下，元器件的布局和划分就成为决定设计好坏的关键。 如果布局和布线合理，数字地电流将被限制在电路板的数字部分，不会干扰模拟信号。 此类接线必须仔细检查和检查，以确保100%符合接线规则。 否则，如果信号线走线不当，再好的电路板也会毁于一旦。

将A/D转换器的模拟地和数字地引脚连接在一起时，大多数A/D转换器制造商会建议AGND和DGND引脚通过最短的引线连接到同一低阻抗地（注：因为大多数A/D 转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起，模拟地和数字地之间的连接必须通过外部引脚实现），任何连接到 DGND 的外部阻抗都会通过寄生耦合更多的数字噪声到 IC 内部的模拟电路 电容。 根据这个建议，需要将A/D转换器的AGND和DGND引脚连接到模拟地，但是这种方法可能会导致数字信号去耦电容的地端是否应该连接到模拟地等问题 地或数字地

如果系统只有一个A/D转换器，上述问题就很容易解决。 如图3所示，分地，模拟地和数字地在A/D转换器下面连在一起。 采用这种方法时，必须保证两个地之间的连接桥的宽度与IC的宽度相同，并且不能有信号线越过分压间隙。

如果对混合信号PCB设计的统一方式有疑虑，可以采用地线分层的方式对整个电路板进行布局布线。 设计时要注意在后面测试电路板时，尽量方便地使用间距小于1/2英寸的跳线或0欧姆的电阻将分地连接在一起。 注意分区布线，保证各层模拟部分上方无数字信号线，数字部分上方无模拟信号线。 此外，任何信号线不得跨越接地间隙或分体式电源之间的间隙。 为测试电路板的功能和EMC性能，将两个地通过0欧姆电阻或跳线连接在一起，重新测试电路板的功能和EMC性能。 对比测试结果可以发现，几乎在所有情况下，统一方案在功能和EMC性能上都优于分体方案。

分地的办法还有用吗？

这种方法可用于以下三种情况：一些医疗设备要求电路和连接患者的系统之间的漏电流很低； 一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声大、功率大的机电设备； 另一种情况是 PCB 布局受到特定限制。

混合信号PCB板上通常有独立的数字和模拟电源，可以而且应该使用分离电源平面。 但是，与电源层相邻的信号线不能跨越电源之间的缝隙，所有跨越缝隙的信号线必须位于与大面积接地相邻的电路层上。 在某些情况下，模拟电源被设计成PCB连接线而不是平面，以避免电源平面分割的问题。