第七篇 · PCB 设计与 EMC / 布局布线

深入#分区#模拟地#数字地#星形接地#保护环#平面分割

模拟、数字、电源分区布线 Analog / Digital / Power Partitioning

一块板子上同时有精密模拟电路（µV 级）、喧闹数字电路（MHz 方波）和大功率开关电源。三者的地电流如果共用一段导线，就会通过共地阻抗（Common Ground Impedance）互相干扰。分区布线就是把这三类电流的回路尽量分开。

1. 设计动机

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数字门开关时瞬态电流很大，在地上产生 mV 级噪声压降。如果模拟地和数字地共用一段走线，这个噪声压降就会叠到 µV 级的模拟信号上——ADC 读数乱跳。分区的本质是：让数字回流别流进模拟地。

2. 图示：模数地在 ADC 下方单点桥接

模拟地与数字地分割，分界线恰好经过 ADC 下方，单点桥接

3. 机理：共地阻抗耦合

两根地线共用一段阻抗 $Z$，数字回流电流 $i_d$ 流过它，就在模拟地端产生噪声电压 $v_n=i_d Z$：

$$v_n = i_d \cdot Z_{common}$$

• 数字地电流大、变化快 → $i_d$ 大
• 地线有电感 → $Z=j\omega L$，频率越高越大
• 结果：$v_n$ 直接串进模拟前端

解决思路：让 $i_d$ 和模拟信号的地不共用同一段 $Z$。

4. 设计准则

1. 物理分区：模拟/数字/电源在布局上分开（见布局）。
2. 地平面分割线经过 ADC 下方：ADC 模拟脚朝模拟区、数字脚朝数字区，两地在 ADC 正下方唯一一点相连（0Ω 或磁珠）。
3. 不要跨分割走线：任何信号都不要从分割缝上方走过。
4. 现代观点：多数低速板用完整地平面 + 良好布局比硬分割更安全——硬分割一旦被跨线反而更糟。

5. 完整设计示例

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1. 需求：12bit ADC 采集 mV 级传感器信号，怕数字噪声。
2. 布局：模拟前端（运放+传感器）在左，STM32 在右。
3. 地平面：L2 完整 GND，不分割（低速板）。
4. ADC 下方：模拟地与数字地在 ADC 正下方用 0Ω 单点桥接。
5. 去耦：模拟电源脚单独磁珠 + 0.1µF 滤波。
6. 检查：模拟信号走线下方是完整 GND，不跨任何分割。

6. 检查与仿真

• 跨分割检查：用 EDA 的平面检查，确认没有走线跨越分割缝。
• 单点桥接位置：确认桥接在 ADC/混合信号芯片正下方。
• 实测：示波器看 ADC 输入噪声，切换地处理对比。

扩展与变种电路

扩展1：单点（星形）接地 Star Ground

低频/高精度模拟里，各模块地各自独立回到同一点。

四个模块地各自回到中心星点，不共用地线

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• 各模块地走线互不共用段，共地阻抗 $Z_{common}$ 趋近于 0。
• 低频（<1 MHz）星形地有效；高频下地线本身电感大，星形反而环路大。
• 高速数字板用完整平面地，不用星形。

准则对比：

接地方式	低频	高频
星形/单点	优	差（地线电感大）
完整平面	良	优

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• 现象：高频下星形地反而噪声大。
• 原因：高频下每根地线都是电感，星点汇集处环路大。
• 解决：高频数字板用完整地平面。

扩展2：保护环 Guard Ring

高阻敏感节点周围一圈保护环，把漏电流导走。

高阻运放同相输入周围一圈保护环接地，屏蔽漏电流

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• 高阻节点（如运放同相端，MΩ 级）周围的 PCB 表面漏电流会污染信号。
• 保护环核心规则：接与被保护节点相同的直流电位（让环上无电压差、无漏电流流入节点）。具体接法随电路而定：电压跟随器（Buffer）里同相端节点≈输出，环可接输出；反相放大的虚地节点则环接 AGND。不要一概而论"同相端都接输出"。
• 漏电流被保护环导走，不流入高阻节点。
• 高阻电路（光电二极管、EEG）必备。

准则对比：

处理	高阻漏电流
无保护环	大（误差）
保护环	小

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• 现象：加了保护环反而误差变大。
• 原因：保护环接到了错误电位，成了新的噪声源。
• 解决：保护环接与被保护节点相同电位。

扩展3：电源平面分割（3.3V / 1.8V）

多电压电源在同一层平面上分割成几块。

3.3V 与 1.8V 平面间有分割缝，信号不能跨缝

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• 同层电源平面按电压分割：3.3V 一块、1.8V 一块，中间留缝。
• 大忌：信号走线跨越分割缝——下方参考平面（地或电源）不连续，回流断流。
• 必须跨过时，在跨线处放缝合电容（ stitching cap ）或地过孔提供回流路径。
• 或者把该信号走在有完整地平面的另一层。

准则对比：

走线位置	回流	EMI
完整平面上方	紧贴、短	低
跨分割缝	绕远	高

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• 现象：跨缝信号 EMI 超标、信号质量差。
• 原因：参考平面不连续，回流绕远、环路大。
• 解决：缝合电容/地过孔在跨线处补回流，或改走完整平面层。

7. 常见坑与故障现象

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• 为"模数分开"把地平面挖一条深槽：高速信号跨槽，回流绕远，EMI 超标。分割要谨慎。
• 桥接点放错位置：两地桥接放在板子边缘而不是 ADC 下方，噪声照样串。
• 模拟电源直接用数字电源：没加磁珠/滤波，数字噪声全进模拟。
• 跨电源分割走线：见扩展3。

8. 自测题

什么是共地阻抗耦合？为什么数字噪声会串到模拟电路？

两地共用一段地线阻抗 $Z$，数字回流 $i_d$ 流过它产生 $v_n=i_d Z$，叠加到模拟信号上。数字电流大、变化快，$Z$ 随频率增大，所以串扰明显。分区就是避免共用这段 $Z$。

模数地为什么在 ADC 正下方单点桥接，而不是随便找个点？

ADC 是模拟与数字的边界，它的模拟脚朝模拟区、数字脚朝数字区。桥接放在它正下方，数字回流在数字区内循环，只在这一点回到模拟地，不会流过模拟前端的地。放错位置噪声照样串。

高速信号为什么不能跨电源分割缝？怎么办？

跨缝意味着下方参考平面不连续，回流被迫绕远、环路变大、辐射增加。解决：在跨线处放缝合电容/地过孔补回流，或把该信号改走完整地平面那一层。

9. 参考资料

• Henry W. Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering, Wiley 2009
• onsemi AND8301-D EMC PCB Layout Guidelines
• TI SLVA680A ESD Protection Layout Guide