類比地與數字地詳解

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轉自：  http://blog.csdn.net/kevinhg/article/details/12080751

 二者本質是一直的，就是數字地和類比地都是地。要明白為什麼要分開，先聽一個故事；我們公司的商務樓，2樓是搞類比的，3樓是搞數位，整幢樓只有一部電梯，平時人少的時候還好辦，上2樓上3樓互不影響，但每天上下班的時候就不得了了，人多得很，搞數位要上3樓，總是被2樓搞類比的人影響，2樓類比的人要下樓，總是要等電梯上了3樓再下來，互相影響很是麻煩，商務樓的物業為解決這個問題，提出了2個方案：第1個（笑死人了）電梯擴大，可以裝更多的人，電梯大了是好，但公司會招人，人又多了，再換電梯，再招人...永遠死迴圈，有一個辦法到挺好，大家索性不要電梯，直接往下跳，不管2樓的3樓的，肯定解決問題，但肯定會出問題（第1個被槍斃掉了）。第2個辦法裝2部電梯，一部專門上2樓，另一部專門上3樓，Wonderful！太機智了，這樣2層樓面的工作人員就互不影響了。明白了否？

       數字地、類比地互相會影響不是因為一個叫數字，一個叫類比，而是他們用了同一部電梯：地，而這部電梯所用的井道就是我們在PCB上布得地線。類比迴路的電流走這條線，數字迴路的電流也走這條線，本來無可厚非，線布著就是用來導通電流的，可問題出在這根線上有電阻！而且最根本的問題是走這條線的電流要去2個不同的迴路。假設一下：有2股電流，數流，模流同時從地出發。有2個器件：數字件和類比件。若2個迴路不分開，數流模流走到數字件的接地端前的時候，損耗的電壓為V=（數流+模流）X走線電阻，相當於數字器件的接地端相對於地端升高了V，數字器件不滿意了，我承認會升高少許電壓，數流的那部分我認了，但模流的為什麼要加在我頭上？同理模擬器件也會同樣抱怨！

       兩個解決方案：第1個：你布的PCB線沒有阻抗，自然不會引起幹擾，就像2、3樓直接往下跳，那是井道最寬的時候，也就是可以裝一個無限大的電梯，自然誰都不影響誰，但誰都知道，This is mission impossible！第2個：2條迴路分開走，數流，模流分開，既數地、模地分開。

       同理，有時雖在類比迴路中，但也要分大、小電流迴路，就是避免相互幹擾。所謂的幹擾就是：2個不同迴路中的電流在PCB走線上引起的電壓，這2部分電壓互相疊加而產生的。       

       下面再具體介紹，簡單來說，數字地是數字電路部分的公用基準端，即數字電壓訊號的基準端；類比地是類比電路部分的公用基準端，類比訊號的電壓基準端（零電位點）。
一、分為數字地和類比地的原因
       由於數字訊號一般為矩形波，帶有大量的諧波。如果電路板中的數字地與類比地沒有從存取點分開，數字訊號中的諧波很容易會干擾到類比訊號的波形。當類比訊號為高頻或強電訊號時，也會影響到數字電路的正常工作。類比電路涉及弱小訊號，但是數字電路門限電平較高，對電源的要求就比類比電路低些。既有數字電路又有類比電路的系統中，數字電路產生的雜訊會影響類比電路，使類比電路的小訊號指標變差，克服的辦法是分開類比地和數字地。
       存在問題的根本原因是，無法保證電路板上銅箔的電阻為零，在存取點將數字地和類比地分開，就是為了將數字地和類比地的共地電阻降到最小。
二、數字地和類比地處理的基本原則如下
       如果把類比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。對於低頻類比電路，除了加粗和縮短地線之外，電路各部分採用一點接地是抑制地線幹擾的最佳選擇，主要可以防止由於地線公用阻抗而導致的組件之間的互相干擾。
       而對於高頻電路和數字電路，由於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，這時應採取分開接地和一點接地相結合的方式。另外對於高頻電路還要考慮如何抑制高頻輻射雜訊，方法是：盡量加粗地線，以降低雜訊對地阻抗；滿接地，即除傳輸訊號的印製線以外，其他部分全作為地線。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雜訊，但環路所包圍面積不可過大，以免儀器處於強磁場中時，產生感應電流。但如果只是低頻電路，則應避免地線環路。數字電源和類比電源最好隔離，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，但建議類比和數字一點接地。高頻時，可通過磁珠把類比和數字地一點共地。
三、四種解決方案
       類比地和數字地間的串接可以採用四種方式：1、用磁珠串連；2、用電容串連（利用電容隔直通交的原理）；3、用電感串連（一般用幾uH到數十uH）；4、用0歐姆電阻串連。下面重點介紹一下磁珠和0歐姆電阻：

       一般情況下，用0歐電阻是最佳選擇，1、可保證直流電位相等；2、單點接地，限制雜訊；3、對所有頻率的雜訊都有衰減作用（0歐也有阻抗，而且電流路徑狹窄，可以限制雜訊電流通過）；4、電容（利用電容隔直通交的原理）。
       磁珠採用在高頻段具有良好阻抗特性的鐵氧體材料燒結面成，專用於抑制訊號線、電源線上的高頻雜訊和尖峰幹擾，還具有吸收靜電脈衝的能力。磁珠有很高的電阻率和磁導率，等效於電阻和電感串聯，但電阻值和電感值都隨頻率變化。它比普通的電感有更好的高頻濾傳輸速率性，在高頻時呈現阻性，所以能在相當寬的頻率範圍內保持較高的阻抗，從而提高調頻濾波效果。磁珠對高頻訊號才有較大阻礙作用，一般規格有100歐/100mMHZ，它在低頻時電阻比電感小得多。鐵氧體磁珠（Ferrite Bead）是目前應用發展很快的一種抗幹擾組件，廉價、易用，濾除高頻雜訊效果顯著。

       鐵氧體磁珠不僅可用於電源電路中濾除高頻雜訊（可用於直流和交流輸出），還可廣泛應用於其它電路，其體積可以做得很小。特別是在數字電路中，由於脈衝訊號含有頻率很高的高次諧波，也是電路高頻輻射的主要根源，所以可在這種場合發揮磁珠的作用。在電路中只要導線穿過它即可。當導線中電流穿過時，鐵氧體對低頻電流幾乎沒有什麼阻抗，而對較高頻率的電流會產生較大衰減作用。

四.電感與磁珠的區別
       有一匝以上的線圈習慣稱為電感線圈，少於一匝（導線直通磁環）的線圈習慣稱之為磁珠。電感是儲能元件，而磁珠是能量轉換（消耗）器件，電感多用於電源濾波迴路，磁珠多用於訊號迴路，用於EMC對策；磁珠主要用於抑制電磁輻射幹擾，而電感用於這方面則側重於抑制傳導性幹擾。兩者都可用於處理EMC、EMI問題；電感一般用於電路的匹配和訊號品質的控制上，在類比地和數字地結合的地方用磁珠。
      作為電源濾波，可以使用電感。磁珠的電路符號就是電感但是型號上可以看出使用的是磁珠在電路功能上，磁珠和電感是原理相同的，只是頻率特性不同罷了;磁珠由氧磁體組成，電感由磁心和線圈組成，磁珠把交流訊號轉化為熱能，電感把交流儲存起來，緩慢的釋放出去。
       電感是儲能元件，而磁珠是能量轉換（消耗）器件；電感多用於電源濾波迴路，磁珠多用於訊號迴路，用於EMC對策；磁珠主要用於抑制電磁輻射幹擾，而電感用於這方面則側重於抑制傳導性幹擾。兩者都可用於處理EMC、EMI問題。磁珠是用來吸收超高頻訊號，象一些RF電路，PLL，振蕩電路，含超高頻儲存空間電路（DDR SDRAM，RAMBUS等）都需要在電源輸入部分加磁珠，而電感是一種蓄能元件，用在LC振蕩電路，中低頻的濾波電路等，其應用頻率範圍很少超過50MHZ。
五、幾種方法綜述
        電容隔直通交，造成浮地。電容不通直流，會導致壓差和靜電積累，摸機殼會麻手。如果把電容和磁珠並聯，就是畫蛇添足，因為磁珠通直，電容將失效。串聯的話就顯得不倫不類。
　　電感體積大，雜散參數多，特性不穩定，離散分布參數不好控制，體積大。電感也是陷波，LC諧振(分布電容)，對噪點有特效。
　　磁珠的等效電路相當於帶阻陷波器，只對某個頻點的雜訊有抑製作用，如果不能預知噪點，如何選擇型號，況且，噪點頻率也不一定固定，故磁珠不是一個好的選擇。
        0歐電阻相當於很窄的電流通路，能夠有效地限制環路電流，使雜訊得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗)，這點比磁珠強。
        總之，關鍵是類比地和數字地要一點接地。建議，不同種類地之間用0歐電阻相連；電源引入高頻器件時用磁珠；高頻訊號線耦合用小電容；電感用在大功率低頻上。  

類比地與數字地詳解