參考平面

在印刷電路板上是沒有"真正"的地的，而通常所説的"地"一般都指的是迴流路徑或參考平面。對於實際的PCB來説，最好的"地"應該是一個完整的、公共的地平面。這種"簡單"的地可以減小PCB上走線之間的串擾，減少電磁干擾。但是當電路上出現ADC/DAC時，地平面就變得很複雜了。模擬器件需要接到模擬地"A G N D"，而數字器件需要接到數字地"DGND"。隨着數模混合電路的大量運用以及集成度的提高，越來越多的問題擺在了我們面前，例如：什麼情況下需要分割地平面，對於分割的地平面是否需要橋接等等。

地平面分割通常出現在數模混合的PCB上。不管是地平面還是電源平面，對於迴流信號都是一樣的，它們都作為一個參考平面為迴流信號提供一個返回路徑。在高頻時，由於趨膚效應，返回電流總是貼着信號走線下方流動。但是當參考平面上出現溝槽時，返回電流就會繞過這個槽。這個繞行的迴流增加了整個迴路的電感，增加的電感可由下式計算得出：

L=5Dln(D/W) (1)

式(1)中：L為電感，單位為nH；D為溝槽長度，單位為in；W為線寬，單位為in。這個電感會使電路的上升時間增加，並加劇線路之間的串擾，同時使該電路Q 值增大，從而有可能發生諧振。

PCB上一個閉合路徑可以等效成為一個電流環天線，繞行的迴流增加了環路的面積，使迴路的輻射增大一條微帶線分別具有完整參考平面和不完整參考平面時的近場輻射測試圖，頻率範圍是20 MHz～1 000MHz。當微帶線跨越分割以後，其輻射增加了20dB左右。

既然不完整的參考層平面會帶來如此多的問題，那麼為什麼還要對參考層進行分割呢。分割的參考層一般出現在數模混合布板的情況下。數字電路對噪聲的敏感度大大低於模擬電路。一般情況下數字電路的敏感度在十幾個毫伏左右，而模擬電路的敏感度為微伏級別，兩者差別達到了10 000倍(即噪聲隔離度為80dB)。如果模擬與數字電路共用同一個參考平面，數字電路的開關噪聲就很容易對模擬電路造成共阻抗干擾。例如當AD轉換器的數字輸出為低電平時，容性的負載或者數字輸出引腳的寄生電容就會通過：DGND放電，這時就會有一個高速的大電流通過DGND引腳。

這個電流會在DGND的寄生電感上產生一個瞬時的電壓，使得參考平面的電位出現波動，這個電壓也被稱作同步開關噪聲(SSN)。芯片的設計者和PCB工程師都意識到這個噪聲對模擬電路的影響，AGND引腳以及單獨的參考平面能很好地解決這個問題。但是如上所述，不完整的地平面會帶來很多其他問題。如何解決數/模噪聲隔離和不完整地平面帶來的問題成為了數模混合布板的關鍵。

通常，PCB layout工程師都把數字地平面作為一個完整的平面來考慮。而把數字地作為一個平面來考慮不宜於理解數字電路產生的共模噪聲是如何影響模擬電路的。為了更好地解決共模噪聲的問題，假設地平面為一個框，用這個框來代替一個完整的平面，。電流從這個框的上部和下部分別返回到電流源。

如果這個框通過兩點連接到另一個區域，由於框的阻抗不為0，在這兩個點之間就會產生一個電壓。儘管這個電壓很小，但還是會迫使電流流入另一個區域，從一點流入，另一點流出。而當兩個區域之間只有一個連接點時，電流無法僅通過一個連接點流入另一個區域，而又從同一個點返回。這時兩個區域是相互獨立的，電流無法流人或流出，。把這種形式引入到模擬地與數字地中，用溝槽分割數字地與模擬地，再通過橋連接兩者，這樣既可以保證DGND與AGND引腳之間有相同的電壓，而且隔離了數字電路產生的噪聲。使用橋的好處類似於有護城河的城堡。只有具有過橋通行權的信號才被允許通過。這條通過橋在參考平面上形成的迴路是唯一被允許存在的路徑。

大多數A/D轉換器芯片內部的模擬地與數字地是分開的，需要從外部用最短的引線將AGND和DGND連接到同一個低阻抗和相同壓降的地上。只要連接的橋足夠寬和短，就能為AGND和DGND提供幾乎相同的電壓。一般情況下A/D轉換IC放置在橋的正上方。如果系統中需要多個A/D轉換器，例如4個A/D轉換器，不能在每個A/D轉換器下面都將模擬地和數字地連接到一起，否則就會產生多點連接，這樣橋的隔離就毫無意義了。有的工程師此時會建議使用統一的地。對於一些低敏感度的A/D轉換器可以使用統一的地。例如，8 bit的A/D轉換器，噪聲隔離度只需要60dB或更低。這時就可以使用統一的地。但是對於一些高敏感度的A/D轉換器，例如噪聲隔離度要求80dB，建議每個A/D轉換器使用一個單獨的模擬地，每個模擬地再單獨與數字地單點橋接。把參考地分為N+1塊，N為A/D轉換器數量，"1"為數字地，這樣就可以提供高噪聲隔離度。

當使用差分、變壓器耦合或者光耦合這類的漂浮輸入時，沒有必要使用橋連接模擬地與數字地。因為這些漂浮輸入不需要有直接地-地的連接。模擬輸入以殼體為參考點時，情況就要複雜得多了。因為模擬地需要連接兩個"地"：一個是A/D轉換器的地；另一個是殼體的地。一旦同一個模擬參考平面連接了兩個地，就會出現雜散電流。這個雜散電流使得橋的隔離噪聲的作用消失，如果這時數字電路的I/O接口也是以殼體為參考點，一旦模擬地和數字地都與殼體建立連接，數字地中的電流就會通過殼體流人模擬地，再通過橋返回到電流源。這個電流流經敏感的模擬地時就會對模擬器件形成干擾。

通過以上分析可以看出模擬信號儘量以差分、變壓器耦合或者光耦合的形式輸入。如果模擬輸入量為這類漂浮輸入，模擬地不需要與數字地進行橋接，從而斷絕了雜散電流的迴路。其他形式的模擬信號輸入需要與數字地進行橋接。當有多個A/D轉換器時，每個A/D轉換器對應一個單獨的模擬地，並且每個模擬地與數字地單點相接。例如系統有4個ADC，ADC1的模擬信號以差分形式輸入，地分割的拓撲原則是"N+1"，除去ADC1以外，每個單獨的模擬地再與數字地單點相接．

如果輸入模擬信號必需以殼體地為參考點，則可以將橋的數字地端接到殼體的地，從而使雜散電流不會流入到模擬地。如果輸入的模擬信號和數字的I/O口都是以殼體地為參考點的，應該在整個PCB的下方多加一層金屬薄片，並且使PCB上每個單獨地區域的邊緣都通過螺孔與這片薄板相連。這片金屬薄板為雜散電流提供了低阻抗路徑，對噪聲隔離有一定的改善。

如果地平面已經被分割了，就絕對不能有信號線跨越分割。有工程師堅持要使信號線跨越分割，這時可以使用射頻扼流器，但射頻扼流器並不能從根本上解決跨越分割引起的輻射，並且只對頻率極高的信號有一定作用。一條特徵阻抗50 Ω、終端開路的無損微帶線；地平面上有一條長5cm、寬2mm的溝槽。

該系統可以看成一個單端口器件，其損耗主要由溝槽的輻射引起。因此可以通過系統的S11 參數來反映溝槽的損耗。如在地平面切割出的射頻扼流器，它們改變了溝槽的形狀(長12mm、寬6mm)。由於溝槽形狀的改變，使得阻抗失配，從而在溝槽內部形成多次反射。從中可以看出，當頻率高於8GHz時射頻扼流器的作用比較明顯。

當L從2mm增加到12mm時(W=6mm不變)，Rr增加了。利用巴俾涅原理和互補天線理論可知溝槽的輻射阻抗減小了，從而改善了溝槽的輻射。

大多數有關地分割的書或文章中都建議在橋接時把橋做得又短又寬，最好能和跨接的A/D轉換器的寬度一樣。但是筆者不建議把橋做得太寬，因為太寬的橋有可能提供了兩點或多點橋接。如果橋的寬度太寬，超過數字信號上升時間的電氣長度就會形成多電連接，為同步開關噪聲提供迴路。上升時間的電氣長度為：

式(4)中，L為電氣長度，單位為in；Tr為數字信號上升時間，單位為ns；PT為傳播時間，單位為ns·in-1。例如對於上升時間為1ns，材料為FR-4(傳播時間大約為1/6 ns·in-1)的PCB來説電氣長度為L=1in。因此，橋的寬度最好不要超過1in。

物體的高度h總是相對於某一水平面來説的，實際上就把這個水平面的高度取做0。因此，物體的重力勢能也是相對於某一水平面來説的，這個水平面叫作參考平面（普遍叫做零勢面）。在參考平面，物體的重力勢能取做0。

在UG、PRO/E等參數化建模軟件中，定義的與加工過程有關，加工位置有關的平面，也叫基準平面，多用來定義刀具的切削角。

多與高度表示有關，相對高度的參考平面可以任選，常用海拔高度的參考平面就是海面。但海面潮起潮落，大浪小浪不停，可以説沒有一刻風平浪靜的時候，而且每月每日漲潮與落潮的海面高度也是有明顯差別的。因此，人們就想到只能用一個確定的平均海水面來作為海拔的起算面。海拔也就定義為高出平均海水面的高度。