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PCB设计到底要不要分割地

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sinasun|  楼主 | 2023-3-11 22:01 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式


设计PCB就避免不了要谈GND的设计,在电路板中会有数字地和模拟地的区分,数字信号的特点是电平幅度从0~1变化大(0~1不是0V1V的变化,是低电平到高电平的变化),频率高,上升下降时间都很短,所以居于丰富的谐波,频域宽广;模拟电路的特点是信号电平低,频带宽,容易收到外界串扰干扰。
如果模拟信号和数字信号共用了一部分存在阻抗的地线,就会产生地弹的现象。地弹是一种开关噪声,当数字信号不断变化,就会有剧烈的di/dt的变化,而共用的地线有寄生电感,那么就会有L*di/dt的噪声电压。
基于以上的噪声电压来源的分析,所以在PCB设计中,就要避免使用共用地线。让数字电路和模拟电路的返回路径沿各自的路径直接流回电源的地。也就是所谓的星形接地方案。因此就需要将地平面分割为完全不同的地方。最后数字地和模拟地通过0欧姆电阻或者磁珠或者铜箔在单点连接到一起。
但是对于高频电路的设计,高频信号下方的参考层是返回电流的路径。如果仅仅是很小面积的参考层,还是会引入寄生电感和电阻,造成返回电流路径增大。因此电流回流路径必须由大面积的地平面组成,以获得高频信号下的低阻抗地平面。下图是一个返回路径的仿真示例,顶层和地层是信号线,中间层是参考地平面。颜色代表导体中的电流密度,蓝色意味着没有电流,红色代表高的电流。可以清晰的看到,在顶层的信号线下方的参考层,都是红色的返回电流。在底层的信号线下方的参考层,也都是红色的返回电流。
  
  但是如果由于割地,造成了信号下方,没有参考层,就会加大回流路径。下图示例将参考层中间挖掉一部分,利用仿真可以清晰看出,三个顶层线路的返回路径,都绕开了缺口的位置
在绕过缺口后,三个信号的返回电流就混合到一起,这样就会使用共同的返回路径,增加串扰。这也是设计中,不希望在地平面分割布线的原因之一
  因此现在很多电路板设计,很多都不切割地平面,这是由于数字电路系统,时钟信号带宽都在100MHz左右,这些高频信号在参考层的回流路径,基本都会在信号下方。不分离地平面,就能很好的PCB上安排数字信号的回流路径。在参考层的地平面为回流提供一个很小阻抗的路径,也就不会有干扰和电磁辐射的问题。但是如果切割了地平面,又跨越了不同的地区去铺设高速信号走线,就会形成一个大环路的回流路径,这些环路就像一个大天线,会产生强烈的电磁辐射;所以对于PCB设计,如果回流路径很清晰,就可以分割地平面,安排和合理的信号的返回电流路径。如果分割不了,就不要强行分割。毕竟整地的适应性比割地的是应用强很多。要是切割了地又没有做好信号回流的路径,就不如不切。采用统一完整的地平面还是要做好数字和模拟电路的分离布局,PCB噪声大的部分如数字电路和开关电源,所占的面积还是应可能的小,以减少作为接受天线环路的大小;

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