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问题

0 欧电阻为什么能把数字模拟混合电路中的地分开？

回答
在数字模拟混合电路设计中，一个常见的挑战是如何处理接地，尤其是当数字部分和模拟部分共用同一个地平面时。数字电路，特别是高速数字电路，由于其开关动作会产生大量的电噪声，这些噪声很容易耦合到敏感的模拟电路中，导致信号失真，甚至影响电路的正常工作。

为了解决这个问题，工程师们经常会采用一些接地策略，其中一种看似简单却颇具争议的方法就是使用一个所谓的“0 欧电阻”（ZeroOhm Resistor）来“分开”数字地和模拟地。

为什么会有人考虑使用0 欧电阻来“分开”地？

这里的“分开”并非指物理上的完全隔绝，而是一种控制电流路径和抑制噪声传播的手段。0 欧电阻，顾名思义，其理论电阻值为零，但实际上会有一个非常小的、可忽略不计的电阻值（通常在几十毫欧姆级别），以及一个额定电流值。它本质上是一个跳线（jumper），只是以贴片电阻的形态出现，方便自动化贴装。

在数字模拟混合电路中，当我们将数字地和模拟地通过一个0 欧电阻连接起来时，其背后的思路是这样的：

1. 控制电流的流动路径：
数字电路产生的绝大部分噪声电流，特别是高频开关噪声，往往集中在数字部分的电源和地线路上。
如果数字地和模拟地直接连接，这些噪声电流会毫不犹豫地流入模拟地，因为地平面被视为低阻抗路径。
通过在连接点引入一个0 欧电阻，我们实际上是在数字地和模拟地之间增加了一个有明确定义的、相对集中的连接点。
这个0 欧电阻的微小电阻值，虽然不足以阻挡直流电流，但对于高频噪声电流来说，它提供了一个相对高一点的阻抗（相比于一个理想的短路）。
想象一下，一个高频噪声电流想要从数字地流到模拟地，它可能会选择经过0 欧电阻。在这个过程中，0 欧电阻作为一个微小的电感（即使是0 欧电阻的引脚也会有寄生电感）和电阻，可以对这些高频成分起到一定的衰减或滤波作用。
更重要的是，它将高频噪声电流“引导”到这个特定的连接点，而不是让它在整个地平面上随意扩散。

2. 提供一个“一点接地”（SinglePoint Ground）的实现方式：
在许多情况下，我们希望模拟电路和数字电路能够在一个共同的参考点（通常是电源的负极或机壳）上连接，这被称为“一点接地”。
在一个复杂的PCB上，要精确实现物理上的一点接地是困难的，因为PCB布线本身会引入各种阻抗和寄生效应。
使用0 欧电阻可以被看作是一种功能上的一点接地。我们可以在PCB上将模拟地和数字地各自布线，然后在某个预定的位置，通过一个0 欧电阻将它们连接起来。这个连接点就成为了控制噪声传播的“关键点”。
这样做的好处是，在PCB上，数字电路的噪声电流会尽量被限制在数字地布线内部，而流经0 欧电阻的噪声电流会相对较少，或者经过了一定的滤波。

3. 作为故障隔离和设计的灵活性：
在某些设计中，0 欧电阻也可以被视为一种隔离措施。如果将来需要将数字地和模拟地完全分离（例如，在不同的PCB上），只需要移除这个0 欧电阻即可。
或者，在调试阶段，工程师可以通过测量0 欧电阻两端的电压降来判断是否有异常的电流流过，或者通过暂时移除它来测试接地分离的效果。

这就像什么？

你可以把0 欧电阻理解成在一条大马路上，你想把一部分非机动车（噪声电流）引导到一条稍窄一点的小路上（经过0 欧电阻），这条小路上可能有一些减速带（0 欧电阻的寄生电感和电阻），这样可以降低它们的速度和数量，避免它们直接涌入另一边更宁静的居民区（模拟电路）。

然而，需要强调的是：

0 欧电阻不是万能的： 它对于处理非常强的、低频的耦合噪声效果非常有限。
设计至关重要： 这种方法的有效性很大程度上取决于PCB的整体布局、走线和滤波设计。如果接地设计本身很差，0 欧电阻也救不了。
寄生效应： 0 欧电阻本身也会有寄生电感和电容，在非常高的频率下，这些寄生效应甚至可能适得其反。
替代方案： 更普遍和更推荐的做法是采用良好的接地平面设计，例如在PCB上划定独立的数字地和模拟地区域，然后在一个关键点（通常是在电源连接处或靠近ADC/DAC等模拟/数字接口的中心区域）通过一个小电感或一个小的滤波电路（例如，RC滤波）来连接两个地，而不是简单地用0 欧电阻。这种方式提供的滤波效果往往比0 欧电阻更可靠。

总结来说，0 欧电阻在数字模拟混合电路中“分开”地，并非真的物理隔绝，而是通过控制高频噪声电流的流动路径，提供一个集中的连接点，并利用其微小的阻抗和寄生电感来对噪声进行一定程度的衰减和引导，以减少噪声对模拟电路的干扰。它是一种相对简单但有时也被认为是一种“妥协”或“权宜之计”的接地策略。

网友意见

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我也一直有这个疑问，为啥要做地分割，为啥要用磁珠、零欧电阻？

培训的老师说，因为你不够专业，所以使用了一个不好的解决方案，去解决一个你不了解的问题，也许这个方法生效了，但你并不知道为什么，而地分割就是一个很差劲的方法，而你犯的错误，你依旧不知道。

看到了 @Tariel 的回答，非常认同，可惜大佬的文章是英文的，反正闲来没事，给大家翻译一下。

大佬原文如下：

我的翻译如下：



混合信号电路板的分割与布线


Henry W.Ott 著


器件的摆放和分割，以及布线原则，是混合信号电路板成功的关键，而不是地平面的分割。

我经常听到一个问题：在混合信号电路板上，如何防止数字逻辑地的地电流包含下一级模拟电路的电流分量？这是个好问题，但解答却不简单。

在尝试理解这个问题时，我们需要记住2个EMC（电磁兼容）的基本原则。

一，电流总是会回到它们的源头，我们应该使其回流路径尽可能的短，即回流路径在三维空间中形成的环路要尽量小。

二，系统应该只有一个参考平面。如果系统中存在2个参考平面，相当于制造了一个偶极子天线（dipole antenna）。如果电流无法就近回流，相当于制造了一个环状天线（loop atenna）。这两种情况都是我们不想要的。

有人建议在混合信号电路板中分割地平面，使得数字地和模拟低隔离开。尽管分割地平面的尝试是能够在调整后起效的，但存在很多潜在的问题，特别是在大型的复杂系统中。一个重要的问题就是，你不能跨过两个分割的地平面进行布线。如果你垮了，就会发现信号的串扰和辐射极具增加。在我作为EMC顾问的遇到的问题中，跨槽、跨地平面或跨电源层的布线是最常见的。

如果你跨地平面布线，如下图所示，电流的回流路径是什么样的？

图1-跨过分割地平面的信号线


假设两个平面在某处相连，通常是一个点连接，电流的回流路径就会经过该点形成一个大的环路。大环路中的高频电流会造成辐射和地阻抗升高。下一级的模拟电流经过大环路时非常容易受干扰。最坏的地回路构造就是2个地平面只在电源处相连，如下图所示。

图2-跨平面布线，同时地仅在电源处相连


在这种情况下，电流强行通过电源地回流，环路非常大！相应的，由2个地平面和和2根长线组成的环路所形成的的环形天线也非常大，2个地平面也是潜在的不同的射频源。

混合信号电路板布局布线的最优设计，关键是理解低电流是如何、从哪里回流的。大多数设计者只思考信号电流的流向（显然是信号线上），却忽视了返回电流的路径。（这种思考方式也恰好是EMC工程师没失业的主要原因）

如果你必须分割地平面、并且在上面跨平面布线，你应该将2个平面在某点连在一起，并将布线放在连接点上，让地平面形成一个桥，如下图所示。

图3-模拟和数字地的单点连接，由此形成的信号“桥”，这个桥提供了回流路径


将所有的布线都跨过这个“桥”，所有信号的电流回路就都直接位于其布线的下方，从而使回流路径极大地减小了。

其他可行的方式包括光耦和变压器。光耦只在隔离平面间传递光，变压器则只传递磁场。另一种方式是真正的差分信号，差分信号从一根线回流到另一根线，这种情况下地平面的回流也就不需要了。

继续讨论前，我们先定义一下我们尝试解决的问题。并不是模拟电路会干扰数字电路，而是高速数字电路会干扰下一级的模拟电路。这是个合适的关注点，因此，我们想做的，是保证数字地的电流不会流过模拟电路的地平面区域。因此我们经常听到将数字地和模拟低隔离的建议。

为了强调上面的关注点，我们需要理解一点高频电流的特性。高频电流会尝试从信号线正下方回流，因为对高频信号而言，正下方的路径是阻抗最低的路径。因此，不管布线的形状和平面的性质（地平面或电源平面），高频信号的回流路径都是其布线下方的平面和布线一致的路径。回流的电流会略微的分散在平面中，但主要成分都在信号线下方。

下面的表格列出了回流的百分比和到信号线中心的距离的分布关系，x是到信号线正下方的距离，h是线到平面的高度。

地平面中回流电流的真实分部情况如下图所示。

图4-数字信号线正下方的地电流分布


从上可知，数字地的电流并不会流过模拟电路区域的地平面，或者破坏模拟信号。

下图展示了数字信号线及其代表性的地平面中的回流路径。

图5-数字信号线及其对应的地电流——在混合信号板的分割地平面上


那我们为什么需要分割地平面来防止数字地的地电流带来的干扰呢？回答是，我们不需要。。。

因此，我倾向于使用一个统一的地平面，同时将PCB的布局划分成数字电路区和模拟电路区。模拟信号只在模拟电路区布线（每层都是）。数字信号只在只在数字区布线（每层都是）。在这种情况，数字信号的回流不会干扰到模拟信号区的地平面，而是会保持在自身布线的下方，如下图所示。

图6-数字信号线及其对应的地电流——在混合信号板分区但未分割的地平面上


因此AD转换芯片可以跨越在模拟和数字区域上摆放。

比较图5和图6可知，不管地是否分割，数字地的电流都在同一条路径上回流。引起问题的原因是数字信号的布线穿过了模拟区域，或者模拟信号的布线穿过了数字区域，如下图所示。

图7-不恰当的数字信号线，数字地的地电流罗过了模拟区域的地平面


上图中，数字地的地电流从模拟区域流过了。但要注意，问题并不是因为我们没有分割地平面，而是因为错误的布线。

一个只有一个地平面的PCB，分为模拟区域和数字区域进行布线，其信号通常都能适应非常复杂的布线情况，而分割地平面则往往会带来很多复杂的问题。因此，想要设计一块好的PCB，器件的布局和区域的划分是非常关键的。如果布线执行的恰当，则数字地的地电流会保持在数字区域内，不会干扰到模拟信号。然而，每一根布线都必须要仔细的百分百的检查，确保分区域布线的原则得到保证。只要一根线布错了，整个布线都毁了。

另一个问题是，AD转换芯片的模拟和数字地引脚应该如何连接。大多数AD芯片生产商，都建议使用分割地平面的做法，同时在其手册和应用中声称“AGND和DGND引脚必须在外部以最短的距离连接，从而降低地平面的阻抗”。任何额外的DGND连接中的外部阻抗都会通过芯片内部的电容耦合更多地数字噪声到模拟电路中。他们的建议就变成了将ANGD和DGND引脚都连接到模拟低平面上。这种做法存在创造出新问题的可能。其中一个问题是，在哪里放置数字电源的解耦电容呢？在模拟地平面上，还是数字地平面上？

上面的要求可以轻易的被满足，如果只有一个AD芯片的话。你可以把分割地平面，单点连接，连接点恰好在AD芯片下方，如下图所示。

图8-只有一个AD芯片的混合信号板使用分割地平面的可行做法


如果你像上图一样做了，确保地平面的连接处和芯片刚好一样宽，并且任何布线都不允许跨越两个平面。

但如果有多个AD芯片怎么办呢？如果还按照上面的方法，地平面实际上就会在很多个地方被连接起来，也就不再是隔离的了（isolated）。如果你不在每个芯片下面都把平面连接起来，就违背了芯片厂商所说的“将AGND和DGND同时连接到模拟地平面”的原则。你确定想这么做吗？我反正不想。

一个更好的方法是，只使用一个统一的地平面。地平面可以划分成模拟区域和数字区域，如下图所示。

图9-有多个AD芯片的混合信号板在只有一个地平面时的恰当分区


这种布局和布线满足了芯片制造商关于将ANGD和DGND都连接到模拟地平面的要求，同时也满足了EMC的规范，不会创造出环形或偶极子天线。

如果你还在怀疑在自己的混合信号PCB上是否应该使用一个统一的地平面，我建议你这么做。画出一块分割地平面的板子，但设计一个0.5inch间隔的跳线（或零偶电阻） ，将其2端放在分割的地平面的上，使得地平面可以连接起来。正确的分区域布线，保证数字信号和模拟信号的布线不会相互跨越区域。并且任何布线都不能跨越分区。将板子制造出来，先不放置该跳线，测试其功能和EMC表现。然后将跳线放上，再测试一次。我想你会发现在大多数情况下，不管是功能还是EMC表现，都是在只有一个地平面时更好。

分割地平面从来就不应该使用吗？我至少能马上想到几个场合应该使用。一，有些医疗设备对主电源到触碰病人身体的部件之间的泄漏要求非常严苛，二，有些工业过程控制设备的输出端干扰非常大，三，大功率设备，四，一些错误布局布线的PCB。

前两个例子，信号通常通过光耦和变压器跨越地平面，因此满足了不跨越地平面布线的要求。第四个例子，跟我们想讨论的内容更符合一些，如果PCB布局和布线很差劲，使用分割地平面的方式当然能改善其表现。

考虑图7中的情况，高速数字信号的布线经过了模拟区域（明显的违背了设计规范），数字信号的回流在布线的正下方，回流经过了模拟地平面。在这种情况下，分割地平面就会改善PCB的表现，因为数字信号的回流被约束在了数字地平面内，如下图所示。

图10-分割地平面的混合信号板，一条不规范的数字信号布线。


可以看到分割地平面约束了数字地平面上的回流，但实际的问题在于不规范的布线

然而真正的问题在于错误的高速信号布线。更好的解决方案是一开始就做到正确的布线，而不是分割地平面。

在混合信号板上，经常需要将模拟电源和数字电源分开，因此分割电源平面是应该的。但不应该有电源平面附近层的线跨过电源平面的分割。如果有布线非要跨过电源层的分割，则一定要保证该布线的邻近层有完整的地平面。在某些情况下，可以不使用分割的电源平面，而是走一条模拟电源的线。


混合信号设计的checklist

1、将PCB划分为模拟和数字区域

2、正确摆放器件

3、将AD芯片跨放在分区上

4、不要分割地平面，使用一个统一的地平面在模拟区域和数字区域下方

5、数字信号仅在数字区域布线，模拟信号仅在模拟区域布线，每一层都是

6、将模拟电源和数字电源分割开

7、临近电源层的层，不要跨电源分割布线，如果一定要跨，保证背面有一个完整的地平面

8、思考地电流的回流是如何在哪里通过的

9、遵守布线规范


记住，成功的PCB布局布线，关键在于分区和遵守布线规范，而不是分割地平面。使用一个完整的地平面，永远都好于分割的底平面。


尾注

1、 小的偶极子天线的辐射强度取决于线长、电流和频率；

2、 小的环形天线的辐射强度取决于环形的面积、电流和频率的平方；

3、 大多数AD芯片内部并没有将模拟和数字地连在一起。因此它们只能依靠地引脚和外部的连接来实现连接。


Henry W.Ott是以他自己名字命名的咨询机构的主席和首席咨询师，该机构位于新泽西州利文斯顿，是一个提供EMC咨询和培训的机构。他早年间开始独立执业，是AT&T贝尔实验室的杰出会员。他在EMC领域有着超过30年的经验，并且他有纽约大学的电机工程学硕士学位。

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