PCB設計中的地線抑制和干擾

什么是地線？大家在教科書上學的地線定義是：地線是作為電路電位基準點的等電位體。這個定義是不符合實際情況的。實際地線上的電位并不是恒定的。如果用儀表測量一下地線上各點之間的電位，會發(fā)現(xiàn)地線上各點的電位可能相差很大。正是這些電位差才造成了電路工作的異常。電路是一個等電位體的定義僅是人們對地線電位的期望。HENRY給地線了一個更加符合實際的定義，他將地線定義為：信號流回源的低阻抗路徑。這個定義中突出了地線中電流的流動。按照這個定義，很容易理解地線中電位差的產生原因。因為地線的阻抗總不會是零，當一個電流通過有限阻抗時，就會產生電壓降。因此，我們應該將地線上的電位想象成象大海中的波浪一樣，此起彼伏。
談到地線的阻抗引起的地線上各點之間的電位差能夠造成電路的誤動作，許多人覺得不可思議：我們用歐姆表測量地線的電阻時，地線的電阻往往在毫歐姆級，電流流過這么小的電阻時怎么會產生這么大的電壓降，導致電路工作的異常。
地線干擾機理，公共阻抗干擾當兩個電路共用一段地線時，由于地線的阻抗，一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調制。這樣一個電路中的信號會耦合進另一個電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合。
在數(shù)字電路中，由于信號的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時，如果存在不同的電路共用一段地線，就可能出現(xiàn)公共阻抗耦合的問題
地線干擾對策，地環(huán)路對策從地環(huán)路干擾的機理可知，只要減小地環(huán)路中的電流就能減小地環(huán)路干擾。如果能徹底消除地環(huán)路中的電流，則可以徹底解決地環(huán)路干擾的問題。因此我們提出以下幾種解決地環(huán)路干擾的方案。
A.將一端的設備浮地如果將一端電路浮地，就切斷了地環(huán)路，因此可以消除地環(huán)路電流。但有兩個問題需要注意，一個是出于安全的考慮，往往不允許電路浮地。這時可以考慮將設備通過一個電感接地。這樣對于50Hz的交流電流設備接地阻抗很小，而對于頻率較高的干擾信號，設備接地阻抗較大，減小了地環(huán)路電流。但這樣做只能減小高頻干擾的地環(huán)路干擾。另一個問題是，盡管設備浮地，但設備與地之間還是有寄生電容，這個電容在頻率較高時會提供較低的阻抗，因此并不能有效地減小高頻地環(huán)路電流。
B.使用變壓器實現(xiàn)設備之間的連接利用磁路將兩個設備連接起來，可以切斷地環(huán)路電流。但要注意，變壓器初次級之間的寄生電容仍然能夠為頻率較高的地環(huán)路電流提供通路，因此變壓器隔離的方法對高頻地環(huán)路電流的抑制效果較差。提高變壓器高頻隔離效果的一個辦法是在變壓器的初次級之間設置屏蔽層。但一定要注意隔離變壓器屏蔽層的接地端必須在接受電路一端。否則，不僅不能改善高頻隔離效果，還可能使高頻耦合更加嚴重。因此，變壓器要安裝在信號接收設備的一側。經過良好屏蔽的變壓器可以在1MHz以下的頻率提供有效的隔離。
C.使用光隔離器另一個切斷地環(huán)路的方法是用光實現(xiàn)信號的傳輸。這可以說是解決地環(huán)路干擾問題的最理想方法。用光連接有兩種方法，一種是光耦器件，另一種是用光纖連接。光耦的寄生電容一般為2pf，能夠在很高的頻率提供良好的隔離。光纖幾乎沒有寄生電容，但安裝、維護、成本等方面都不如光耦器件。
D.使用共模扼流圈在連接電纜上使用共模扼流圈相當于增加了地環(huán)路的阻抗，這樣在一定的地線電壓作用下，地環(huán)路電流會減小。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容，否則對高頻干擾的隔離效果很差。共模扼流圈的匝數(shù)越多，則寄生電容越大，高頻隔離的效果越差。
消除公共阻抗耦合消除公共阻抗耦合的途徑有兩個，一個是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個方法是通過適當?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強電電路和弱電電路共用地線，數(shù)字電路和模擬電路共用地線。如前所述，減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。這包括使用扁平導體做地線，用多條相距較遠的并聯(lián)導體作接地線。對于印刷線路板，在雙層板上布地線網格能夠有效地減小地線阻抗，在多層板中專門用一層做地線雖然具有很小的阻抗，但這會增加線路板的成本。通過適當接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點接地。并聯(lián)接地的缺點是接地的導線過多。因此在實際中，沒有必要所有電路都并聯(lián)單點接地，對于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點接地。例如，可以將電路按照強信號，弱信號，模擬信號，數(shù)字信號等分類，然后在同類電路內部用串聯(lián)單點接地，不同類型的電路采用并聯(lián)單點接地。
小結：PCB中地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當電流流過地線時，會在地線上產生電壓，這就是地線噪聲。在這個電壓的驅動下，會產生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當兩個電路共用一段地線時，會形成公共阻抗耦合。解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路，增加地環(huán)路的阻抗，使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點接地，徹底消除公共阻抗。0次