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模擬地和數(shù)字地

 judyfanchang 2012-02-10

 

只要是地,最終都要接到一起,然后入大地。如果不連在一起就是“浮地”,存在壓差,容易積累電荷,造成靜電。地是參考0電位,所有電壓都是參考地得出的。地的標(biāo)準(zhǔn)要一致,故各種地應(yīng)短接在一起。人們認(rèn)為大地能夠吸收所有的電荷,始終維持穩(wěn)定,是最終的地參考點(diǎn)。雖然有些板子沒有接大地,但是發(fā)電廠是接大地的,板子上的電源最終還是會(huì)返回發(fā)電廠入地的。

模擬電路設(shè)計(jì)弱小信號(hào),但是數(shù)字電路門限電平較高,對(duì)電源的要求就比模擬電路低些。既有數(shù)字電路又有模擬電路的系統(tǒng)中,數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲會(huì)影響模擬電路,使模擬電路的小信號(hào)指標(biāo)變差,克服的辦法是分開模擬地和數(shù)字地。

對(duì)于低頻模擬電路,除了加粗和縮短地線之外,電路各部分采用一點(diǎn)接地是抑制地線干擾的最佳選擇,主要可以防止由于地線公共阻抗而導(dǎo)致的部件之間相互干擾。

而對(duì)于高頻電路和數(shù)字電路,由于這時(shí)地線的電感效應(yīng)影響會(huì)更大,一點(diǎn)接地會(huì)導(dǎo)致實(shí)際地線加長而帶來不利影響,這時(shí)應(yīng)采取分開接地和一點(diǎn)接地相結(jié)合的方式。

另外對(duì)于高頻電路還要考慮如何抑制高頻輻射噪聲,方法是盡可能加粗地線,以降低噪聲地阻抗;滿接地,即除傳輸信號(hào)的印制線以外,其他部分全作為地線。不要有無用的大面積銅箔。

地線應(yīng)構(gòu)成環(huán)路,以防止產(chǎn)生高頻輻射噪聲,但環(huán)路所包圍的面積不可大,以免儀器處于強(qiáng)磁場中時(shí),產(chǎn)生感應(yīng)電流。但如果只是低頻電路,則應(yīng)避免地線環(huán)路。數(shù)字電源和模擬電源最好隔離,地線分開布置,如果有A/D,則只在此單點(diǎn)共地。

低頻中沒有多大的影響,但建議模擬和數(shù)字一點(diǎn)接地。高頻時(shí),可通過磁珠把模擬地和數(shù)字地一點(diǎn)共地

如果把模擬地和數(shù)字地大面積直接相連,會(huì)導(dǎo)致相互干擾。不短接又不妥,理由如上。有四種方法解決此問題:1.用磁珠連接2.用電容連接3.用電感連接4.0歐姆電阻連接。

磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻濾波器,只對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有顯著的抑制作用,使用時(shí)需要先估計(jì)噪聲頻率,以便選用適當(dāng)型號(hào)。對(duì)于頻率不確定或無法預(yù)知的情況,磁珠不合。

電容隔直阻交,造成浮地。

電感體積大,雜散參數(shù)多,不穩(wěn)定。

0歐姆電阻相當(dāng)于很窄的電流通路能夠有效的抑制環(huán)路電流,使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐姆電阻也有阻抗),這點(diǎn)比磁珠強(qiáng)。當(dāng)分割電地平面后,造成信號(hào)最短回流路徑斷裂,此時(shí)信號(hào)回路不得不繞道,形成很大的環(huán)路面積,電場和磁場的影響就變強(qiáng)了,容易干擾/被干擾。在分割區(qū)上跨接0歐姆電阻,可以提供較短的回流路徑,減小干擾。

1.       正確選擇單點(diǎn)和多點(diǎn)接地

低頻電路中,信號(hào)的頻率小于1MHz,它的布線和器件間的電感影響較小,而接地電路形成的環(huán)路對(duì)干擾影響較大,因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí),地線阻抗變得很大,此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗,應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1-10MHz時(shí),如果采用一點(diǎn)接地,其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20,否則就應(yīng)該采用多點(diǎn)接地法。

2.       將數(shù)字電路和模擬電路分開

電路板上既有高速邏輯電路,又有線性電路,應(yīng)使它們盡量分開,而兩者的地線不要相混,分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。

3.       盡量加粗接地線

若接地線很細(xì),接地電平隨電流的變化而變化,導(dǎo)致電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn),抗噪聲性能變壞。因此,應(yīng)將接地線盡量加粗,使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。如有可能,接地線的寬度應(yīng)大于3mm

4.       將接地線構(gòu)成閉合環(huán)路

設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時(shí),將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于:印制電路板上有很多集成電路元件,尤其遇有耗電多的元件時(shí),因受地線粗細(xì)的限制,會(huì)在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降,若將接地結(jié)構(gòu)成回路,則會(huì)縮小電位差值,提高電子設(shè)備的抗噪聲能力.

數(shù)字地和模擬地處理的基本原則如下:

1.       模擬地和數(shù)字地之間連接

(1)       模擬地和數(shù)字地之間串聯(lián)的電感一般用幾uH到數(shù)十uH

(2)       0歐姆電阻式最佳選擇:可以保證電流電位相等;點(diǎn)接地(限制噪聲);對(duì)所有頻率的噪聲都有衰減作用;電流路徑狹窄,可以限制噪聲電流通過。

(3)       磁珠相當(dāng)于帶阻陷波器,只對(duì)某一頻點(diǎn)的噪聲有限制作用如果不能預(yù)知噪聲點(diǎn),并且噪聲頻率也不一定固定,磁珠就不是一個(gè)好的選擇。

(4)       電容不同直流,會(huì)導(dǎo)致壓差和靜電積累,摸機(jī)會(huì)麻手。

(5)       電感特性不穩(wěn)定,離散分布參數(shù)不好控制,體積大。電感也是陷波,LC諧振(分布電容),對(duì)噪聲有特效。

總之,關(guān)鍵是模擬地和數(shù)字地要一點(diǎn)接地。

建議,不同種類地之間用0歐姆電阻相連;電源引入高頻器件時(shí)用磁珠;高頻信號(hào)線耦合用小電容,電感用在大功率低頻上。

2.       磁珠

采用在高頻段具有良好阻抗特性的鐵氧體材料燒結(jié)而成,專用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾,還具有吸收靜電脈沖的能力。

主要參數(shù):

標(biāo)稱值:因?yàn)榇胖榈膯挝皇前凑账谀骋活l率產(chǎn)生的阻抗來標(biāo)稱的,阻抗的單位也是歐姆,一般以100MHz為標(biāo)準(zhǔn),比如2012B601,就是指在100MHz的時(shí)候磁珠的阻抗為600歐姆。

額定電流:額定電流是指能保證電路正常工作允許通過的電流。

3.       電感與磁珠的區(qū)別:

有一匝以上的線圈習(xí)慣稱為電感線圈,少于1匝(導(dǎo)線直通磁珠)的線圈習(xí)慣稱之為磁珠;

電感是儲(chǔ)能元件,而磁珠是能量轉(zhuǎn)換(消耗)器件;

電感多用于電源濾波回路,磁珠多用于信號(hào)回路,用于EMC對(duì)策;

磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾,而電感用于這方面則重于抑制傳導(dǎo)性干擾。兩者都可用于處理EMCEMI問題;

電感一般用于電路的匹配和信號(hào)質(zhì)量的控制上,在模擬和數(shù)字結(jié)合的地方用磁珠。

磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率,他等效于電阻和電感串聯(lián),但電阻值和電感值都隨頻率變化。 他比普通的電感有更好的高頻濾波特性,在高頻時(shí)呈現(xiàn)阻性,所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗,從而提高調(diào)頻濾波效果。
作為電源濾波,可以使用電感。磁珠的電路符號(hào)就是電感但是型號(hào)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,磁珠把交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為熱能,電感把交流存儲(chǔ)起來,緩慢的釋放出去。
磁珠對(duì)高頻信號(hào)才有較大阻礙作用,一般規(guī)格有100/100mMHZ ,它在低頻時(shí)電阻比電感小得多。
鐵氧體磁珠 (Ferrite Bead) 是目前應(yīng)用發(fā)展很快的一種抗干擾組件,廉價(jià)、易用,濾除高頻噪聲效果顯著。
在電路中只要導(dǎo)線穿過它即可(我用的都是象普通電阻模樣的,導(dǎo)線已穿過并膠合,也有表面貼裝的形式,但很少見到賣的)。當(dāng)導(dǎo)線中電流穿過時(shí),鐵氧體對(duì)低頻電流幾乎沒有什么阻抗,而對(duì)較高頻率的電流會(huì)產(chǎn)生較大衰減作用。高頻電流在其中以熱量形式散發(fā),其等效電路為一個(gè)電感和一個(gè)電阻串聯(lián),兩個(gè)組件的值都與磁珠的長度成比例。磁珠種類很多,制造商應(yīng)提供技術(shù)指標(biāo)說明,特別是磁珠的阻抗與頻率關(guān)系的曲線。
有的磁珠上有多個(gè)孔洞,用導(dǎo)線穿過可增加組件阻抗(穿過磁珠次數(shù)的平方),不過在高頻時(shí)所增加的抑制噪聲能力不可能如預(yù)期的多,而用多串聯(lián)幾個(gè)磁珠的辦法會(huì)好些。
鐵氧體是磁性材料,會(huì)因通過電流過大而產(chǎn)生磁飽和,導(dǎo)磁率急劇下降。大電流濾波應(yīng)采用結(jié)構(gòu)上專門設(shè)計(jì)的磁珠,還要注意其散熱措施。
鐵氧體磁珠不僅可用于電源電路中濾除高頻噪聲(可用于直流和交流輸出),還可廣泛應(yīng)用于其它電路,其體積可以做得很小。特別是在數(shù)字電路中,由于脈沖信號(hào)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(fā)揮磁珠的作用。
鐵氧體磁珠還廣泛應(yīng)用于信號(hào)電纜的噪聲濾除。
以常用于電源濾波的HH-1H3216-500為例,其型號(hào)各字段含義依次為:
HH
是其一個(gè)系列,主要用于電源濾波,用于信號(hào)線是HB系列;
1
表示一個(gè)組件封裝了一個(gè)磁珠,若為4則是并排封裝四個(gè)的;
H
表示組成物質(zhì),H、CM為中頻應(yīng)用(50200MHz),
T
低頻應(yīng)用(50MHz),S高頻應(yīng)用(200MHz);
3216
封裝尺寸,長3.2mm,寬1.6mm,即1206封裝;
500
阻抗(一般為100MHz時(shí)),50 ohm。
其產(chǎn)品參數(shù)主要有三項(xiàng):
阻抗[Z]@100MHz (ohm) : Typical 50, Minimum 37;
直流電阻DC Resistance (m ohm): Maximum 20;
額定電流Rated Current (mA): 2500.

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