漫谈电路设计之接地问题

 从干扰角度看接地

接地是一个很复杂的问题，没有一个统一的准则适用于所有的设计。不同的问题可能需要不同的策略。但是在面临解决某一类问题时，他们是有共性的。比如说我们的设计目的之一是要减小电路各部分间的串扰。串扰的引起有很多种因素：IC本身状态切换时电流变化在substrate上引起的串扰。各种阻容器件电磁场引起的空间干扰。PCB上trace之间的干扰等等。这里与接地有关的串扰是"地"作为一个共同回路是非理想的：它本身有阻抗，也呈现感抗和容性。所以不同的信号共用这一通路就会产生相互的串扰。这里地线带来的共性就是"非理想的共用通路".抓住这个特性，好多问题就容易解释了。在设计上就可以实施相应的对策。

数模混合电路的设计，很大一部分是要考虑地的分割。分割原理就是要遵循上边所属的共性。好多争论是用同一的地平面好，还是数字模拟地分开。其实两者都可以，关键是要让数字和模拟信号的回路尽量减少交叉和共享。初学者可能很容易注意把电路图上的数字模拟信号线分开，减小回路面积并尽量不混杂在一起。但忘记了所谓"信号"是需要一个回路的，即"有去有回"。信号回来的路径就是"地线"。所以数字和模拟信号的"回来的路径"应该不要重叠。最简单的方法就是把两者的地分开，并且数字信号线要布在数字地平面上，模拟信号线要布在模拟地平面上。不要交叉。一个常犯的错误，地分开了，但还有数字线布在了模拟的参考平面上。如果有MCU的数字信号需要去控制模拟器件，这些线要从单点连接的部分通过。混合电路要求设计工程师和布线工程师有很好的互动或者生成完善的PCB布线要求文档。

像本文一开始讲的，接地的策略很复杂，以上原则不见得适合所有情形：

一种情形是一点接地或者树形接地有时不那么容易实现。比如板子上有几个独立的模拟电路（几个分立的ADC电路）。这时应该遵循上边所叙的没有共用回路的原则。地线也不一定非要单点接地。只要互相之间没有共同回路即可。对于大电流的输出级，直接将其回路连接到电源的输入端，使得其干扰不流过板子的任何地参考面。

还有一种情形是很多的数字信号需要去连接模拟器件，或者模拟信号要连接到MCU中的ADC。采用单点接地的方式会引入一个大的信号环路，形成的电感和辐射会带来串扰。这时可以采用统一地面。但在区域上要严格分开并遵循互不交叉的原则：数字信号线要布在数字地平面上，模拟信号线要布在模拟地平面上。即使采用分割地面，在不同区域预留一些互联的0欧姆电阻是一个折中的方案。有时你会看到好多Analog Device的evaluation board上也是这么做的。可能说明了他们也心存疑虑啊，呵呵。

ADC，DAC的地连接有特殊要求，一般是把数字地和模拟地在ADC，DAC器件的下边单点连接。IC的数字信号在数字地平面一侧，DGND和AGND还要放在模拟地平面一侧。这是由于芯片要求这两个地在IC内部是分开的，但要求外部提供一个最小阻抗的通路。对于多个插板的机箱系统，数字地和模拟地也可以在板子上分开，然后再总线板上单点接地。

电路上如果即有噪声比较大的部分比如AC的电路，还有很敏感的小信号放大部分，除了仔细的地面分割以外，不同区域信号的互联可能的话最好采用光电耦合或者差分线形式。比如在好多数字智能电表内的设计。

电源也是一个公共通路，其设计是否也该采用上述方法呢？大多实践证明电源采用树形连接的方案优于平面的方案。各个部分的电源树形连接到电源的源头，这样就彻底避免了共用电源通路间的互扰。尤其是大电流部分比如输出功率电路，高电压部分比如被控制的电器设备。这种情形下使用公共的电源平面会带来很大的串扰。

对于数模混合系统的接地分析，本人感觉Analog Device的一本ADC设计指南(Analog_Digital Conversion)讲的最清晰。接地的论述在其第九部分Hardware Design Techniques.

最后，没有金科玉律，不要纠缠在一点不放：电路设计是一种折中的艺术:-)