模拟地平面和数字地平面应该分开吗?

2021年3月12日

关键的外卖

分离模拟和数字地平面是一个有争议的设计实践，可能会产生电源完整性和信号完整性问题。
接地平面的分离不如在两个接地面区域之间的间隙上布线重要。
在有限的情况下，创建物理分离的地平面是可以接受的，但这相当于一个微不足道的设计实践，不会为系统功能创造任何优势。

这块板上暴露的铜可以绑回地面系统，但各种地面是否应该分开?

有三个PCB设计指南是每个人都爱恨的:

绝对不要以90度角的路线行驶。
大多数“经验法则”涉及铜之间的距离和间隙。
永远不要把模拟地平面和数字地平面分开。

只有最后的这些设计准则有任何程度的合法性，它是现代pcb的必要条件。然而，这往往是极其糟糕的沟通。

当许多设计师使用术语“分割地平面”时，他们可能是在谈论在系统中定义地的不同方法。然后，是如何在这些不同的系统中路由——这是另一个沟通非常差的领域，但清楚地了解这些系统中的路由是什么样子是至关重要的。如果在任何具有地平面(甚至是分割地平面)的系统中没有正确地执行路由，则会产生一个新的EMI问题，比分割地平面应该解决的问题更糟糕。

为了更好地理解为什么分离模拟地平面和数字地平面如此有争议，让我们澄清事实，并准确定义术语“分割地平面”的实际含义，以及在这些电路板上的最佳路由实践是什么样子。

什么是独立的模拟和数字地平面?

短语“分割地平面”或“分离模拟和数字地平面”在混合信号PCB设计中可能意味着两种完全不同的东西:

一个完全均匀的地平面，但有一个“部分”，我们试图只放置数字组件，另一个部分，我们试图只放置模拟组件。
两个完全独立、完全不连接的地面区域，一个用于模拟组件，另一个用于数字组件。

这两种接地方法如下所示。

两种“分割”模拟和数字地平面的方法

在左图中，我们有两个物理上不连接的地平面，一个专用于模拟组件，另一个专用于数字组件。在右图中，电路板有一个单独的接地平面，其中有一些铜被移除，以定义模拟部分和不同的数字部分。

在PCB设计社区中更有经验的设计师开始关注EMI问题之前，让我们澄清一些事情:

以上两种接地方法在现代pcb中是不必要的，甚至是不好的做法，不管它们使用的频率是什么。如果您了解如何正确布局电路板并遵循返回路径，您就不需要使用分割地平面，也不需要从地平面上切割部分。这适用于全数字、全模拟和混合信号系统。

这就引出了一个问题:为什么有人会这么做，尤其是如果这是一种糟糕的做法?

为什么要使用完全分离的地面平面?

分离地平面的整个思想是将数字信号和模拟信号分开。例如，如果数字信号的返回电流在模拟互连附近传播，数字信号的变化边缘会产生一个磁场，可以产生归纳相声在模拟互连中，反之亦然。通过将地平面分割为两个完全不同的部分，您已经在模拟和数字部分之间创建了非常高的隔离，因此两种类型的信号永远不会干扰!

唯一应该使用单独地面平面的时间

那么，完全分割平面有什么问题呢?似乎每个部分都有一个均匀的地平面，为什么这是一个问题呢?这就是我们需要特别明确以下准则的地方:

使用两个物理分割的地平面只有在两个部分之间没有连接的痕迹和两个部分之间没有发送信号时才可以接受。这意味着这两个部分是完全隔离的，彼此之间没有相互作用。

这意味着有两个相互完全隔离的设备(一个模拟和一个数字)，它们只是碰巧在同一衬底上。

如果在这两个区域之间没有路由痕迹，那么您已经完全隔离了设备

孤立的模拟和数字设备

仔细想想，这是一个毫无意义的练习。事实上，如果你这样做，你现在引入一个机壳接地或者其他一些浮动导体，它们都有不同的参考电位，现在就有可能在板段之间产生共模电流。通过尝试解决一个EMI问题，您已经创建了一个更难解决的新EMI问题。

分段地平面是可以的，如果…

如果使用“分段”地平面，情况就有点不同了。现在，因为有一些接地铜连接模拟和数字部分，从一个部分返回的电流可以在另一个部分附近传播。因此，如果你不跟踪你的进度，两个部分之间就有可能发生对话返回路径。

在今天的数字信号时代，这是一个有争议的问题。即使是速度较慢的数字总线，其带宽也可以延伸到100兆赫兹，因此这些数字信号的返回路径保持在定义它们的轨迹附近。因此，无需使用物理分离的模拟和数字地平面，就可以很容易地引导您的数字返回路径。

如果您试图通过在地平面上雕刻间隙来在单个地平面上创建两个接地部分，永远不要在这些间隙上布线。只能通过均匀的铜线。

如果由于某种原因，您必须使用如下所示的h型地平面，并且必须在模拟和数字部分之间布线，则只能在固体铜地区域上布线。不要越过两个地面区域之间的空隙。铜连接将提供明确的返回路径，您需要确保低回路电感。一旦你穿过间隙，就会有辐射电磁干扰的问题。

如果必须使用带接地切口的分离接地区域，请勿在接地面的缺口上布线

均匀的铜提供清晰的返回路径

记住，PCB中的接地平面应该提供一个清晰的低电抗返回电流路径。当你在一个没有任何接地铜线的区域上进行高速数字跟踪时，你已经创建了一个可能具有非常大的环路电感的返回电流路径，这可能会产生辐射EMI问题。这个回路就像一个大天线，每当数字信号在不同状态之间切换时，它就会发出强烈的辐射。这同样适用于通过地面区域之间的间隙发送的模拟信号;它只是不断地辐射。

注意，这里的“高速”可以指上升时间慢至20- 30ns的数字信号。这是一个上升时间值时钟信号在SPI总线上，但即使这样也会导致电路板故障电磁兼容测试如果返回路径没有明确定义，并且您在地面上的一个缺口上路由。出于这个原因，花一些时间来了解在PCB布局中是什么携带返回电流，并且您将能够在不需要网格的情况下控制地平面中的返回电流。