你的PCB地线走的对吗？为什么要有主地？

Posted 2022-10-30 工程师看海

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PCB layout需要丰富的经验和扎实的理论基础支持，还要多踩几个坑，多做几个仿真加深对走线的理解，才能形成闭环的走线设计，今天介绍一个和GND走线相关的案例，在手机领域会影响相机画质、在医疗领域会影响生物电信号采集信噪比，如果不理解背后的原理，只会复制原理图或PCB的话，往往达不到电路的最佳性能。

地线在PCB走线中，通常有三种作用：

1. 回流

2. 控制阻抗

3. 屏蔽

今天介绍的案例是和回流相关，地线上的电压波动会影响到对噪声敏感的模拟电路。上图是一种地线走线示意图，数字电路和模拟电路的GND最终都要汇聚一起和电池的地连接，也就是说数字电流Id和模拟电流Ia最终都要汇集在一起，那么这两路电流Id和Ia就用公用地线部分，如上图括号内所示，一般而言数字电流Id的波动是比较大的，而模拟电流Ia的波动略小。数字电Id的波动在共用地线部分会引起电压波动，这个波动就会被模拟电路感应到，进而引起信号质量下降，比如共用地部分的电阻是20 mΩ，而数字电流Id波动是1A，那么引起的电压波动△V就是0.02*1=0.02V，这个20mV被模拟电路的放大器感应到将会以噪声形式出现，这就是地线阻抗大的后果。

缓解的方法如下：减小地线的电阻，缩短模拟电路和数字电路共用地线，把模拟电路和数字电路通过磁珠隔离进一步压制干扰，假如数字电路电流波动不变，依然是1A，共用的地的电阻降低到2 mΩ，此时数字电路在共地部分引起的电压波动只有0.002*1=0.002V，比上面的20mV小了很多，同时，有磁珠的存在还会进一步压制这个噪声，提高模拟电路的信噪比或者是共模抑制比。直观点说就是：不管你数字电路的地/电源怎么跳动，都影响不到我模拟电路的地/电源。

正是基于上面的介绍，所以一般电路板都会进行大面积的铺铜（大面积铺地平面，减小阻抗，增加回流能力），减少地的电阻。上面介绍的是地线的处理，对于模拟电路和数字电路共用电源的处理也是类似的方法（不过通常而言，不建议模拟电路和数字电路共用电源）。

所以呢，有的人就不建议在地平面上打大量的其他电气属性的孔，或者是走线，这就是通常所说的支离破碎的地，这样容易增加地线的电阻（或阻抗），甚至是有隐藏的电阻瓶颈存在被工程师忽略而引起严重的问题。比如下图高亮的红色铜皮，两块白色方框内的铜皮看起来很大，其实他们的连接仅仅只有绿色部分窄窄的一条，这里就是阻抗瓶颈。

上面提到的仅仅只是直流电压波动，对于高频数字电路而言，电流的波动更复杂，含有非常丰富的电压或电流谐波，此时就要考虑频率这个参数了，围绕频率这个参数，就要考虑地线的寄生电容或寄生电感等参数，这在高端CPU中就格外重要，PCB走线要求更严格，这就是电源的PDN设计，在后面的DCR仿真和PDN仿真会有更详细的介绍。

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