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PCB地線干擾與抑制
在PCB設(shè)計中，尤其是在高頻電路中，經(jīng)常會遇到由于接地干擾而引起的一些不正?，F(xiàn)象。本文分析了接地引起的干擾的原因，介紹了三種接地引起的干擾，并根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)驗提出解決方案。這些抗干擾方法在實際應(yīng)用中取得了良好的效果，使某些系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場成功運行。
在單芯片系統(tǒng)中，PCB（印刷電路板）是重要的電子組件，用于支撐電路組件并在電路組件和設(shè)備之間提供電連接。PCB線主要是銅線，銅本身的物理特性也會使它們導(dǎo)電。在此過程中必須有一定的阻抗。導(dǎo)線中的電感成分會影響電壓信號的傳輸。電阻分量將影響電流信號的傳輸。高頻電路中電感的影響特別嚴(yán)重。因此，必須在PCB設(shè)計中加以注意。消除接地阻抗的影響。
1干擾原因
電阻和阻抗有兩種不同的概念。電阻是指在直流狀態(tài)下電線對電流的阻抗，而阻抗是在交流狀態(tài)下電線對電流的阻抗。該阻抗主要由導(dǎo)線的電感引起。由于接地線始終具有阻抗，因此在用萬用表測量接地線時，接地線的電阻通常為mmΩ。
以在PCB上的長度為10cm，寬度為1.5mm，厚度為50μm的電線為例，可以通過計算獲得阻抗。R =ρL/ s（Ω），其中L是導(dǎo)線長度（m），s是導(dǎo)線截面積（mm2），而ρ是電阻率ρ= 0.02，因此導(dǎo)線電阻約為0.026Ω。
當(dāng)一根導(dǎo)線的長度遠(yuǎn)離其他導(dǎo)線并且其長度遠(yuǎn)大于寬度時，導(dǎo)線的自感值為0.8μH/ m，導(dǎo)線的10 cm電感為0.08μH。然后，通過以下公式獲得導(dǎo)線的電感：XL =2πfL。在下面的公式中，f是導(dǎo)線通過信號的頻率（Hz），L是每單位長度導(dǎo)線的自感（H）。因此，分別在低頻和高頻下計算導(dǎo)線的電感電抗值：
在實際電路中，引起電磁干擾的信號通常是脈沖信號，并且該脈沖信號包含豐富的高頻成分，因此在地面上會產(chǎn)生很大的電壓。從上面的公式計算可以看出，在低頻信號傳輸中，導(dǎo)線電阻高于導(dǎo)線電感。對于數(shù)字電路，電路的工作頻率非常高，并且導(dǎo)線電感比高頻信號中的導(dǎo)線電阻大得多。因此，接地阻抗對數(shù)字電路的影響很大。這就是為什么當(dāng)電流流過小電阻器時會出現(xiàn)大的壓降，從而導(dǎo)致電路異常工作的原因。
2地面干擾機制
2.1接地回路干擾
接地環(huán)路干擾是一種相對常見的干擾類型，通常發(fā)生在通過長電纜連接且相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間。接地線引起的電磁干擾的主要原因是接地線的阻抗。當(dāng)電流流過接地線時，在接地線上會產(chǎn)生電壓。這是地線的噪音。在此電壓的驅(qū)動下，會產(chǎn)生接地環(huán)路電流，從而引起接地環(huán)路干擾。如圖1所示，有兩個接地電路。
圖1
由于兩個裝置的接地電位不同，因此形成了接地電壓，并且在該電壓的驅(qū)動下，電流在由“裝置1使電纜和裝置2互連”形成的回路之間流動。由于電路的不平衡，每條導(dǎo)線上的電流都不同，因此會產(chǎn)生差模電壓，并且會干擾電路。
由于接地環(huán)路干擾是由接地環(huán)路電流引起的，因此有時會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斷開一臺設(shè)備的接地時，由于在斷開接地線時切斷了接地環(huán)路，干擾現(xiàn)象消失了。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在低頻干擾的情況下。當(dāng)干擾頻率較高時，是否斷開接地線之間的關(guān)系很小。
2.2共阻抗干擾
在數(shù)字電路中，由于信號的高頻，接地線傾向于表現(xiàn)出較大的阻抗。此時，當(dāng)多個電路共享一條地線時，由于該地線的阻抗，一個電路的地電位被另一電路的工作電流調(diào)制，從而一個電路中的信號耦合到另一個電路中。這稱為公共阻抗耦合。
公共阻抗耦合的解決方案是減小公共接地線部分的阻抗，或使用單點接地來完全消除公共阻抗。圖2的示例說明了干擾現(xiàn)象。圖2是具有四個門的簡單電路。假設(shè)門1的輸出電平從高電平變?yōu)榈碗娖?。此時，電路中的寄生電容（有時在柵極2的輸入處的濾波電容器）將通過柵極1放電到地面，并且放電電流將歸因于地面的阻抗。在地面上會產(chǎn)生尖峰電壓。如果此時門3的輸出為低，則尖峰電壓將傳輸?shù)介T3的輸出（即門4的輸入），如果尖峰的幅度超過門4的噪聲。
圖2
2.3接地回路電磁耦合干擾
圖1所示的“接地回路”將包圍一定的區(qū)域。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，如果在此回路所包圍的區(qū)域中存在變化的磁場，則會在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流以形成干擾。?？臻g磁場的變化無處不在，因此封閉的面積越大，干擾就越嚴(yán)重。
解決地面干擾的3種方法
3.1解決接地環(huán)路干擾
解決接地環(huán)路干擾的基本思想有三種：一種是降低接地線的阻抗，從而降低干擾電壓，但這對第二種原因引起的接地環(huán)路干擾沒有影響。第二種方法是更改接地結(jié)構(gòu)，將一個機箱的接地線連接到另一個機箱，然后將另一個機箱接地。這就是單點接地的概念。第三是增加接地回路的阻抗，從而減小接地回路電流。當(dāng)阻抗無限大時，實際上會切斷接地回路，也就是說，消除了接地回路。因此，提出了以下解決接地環(huán)路干擾的解決方案。
1）將設(shè)備漂浮在一側(cè)
如果電路的一側(cè)懸空，則接地環(huán)路將被切斷，因此可以消除接地環(huán)路電流。但是要注意兩個問題，一個是出于安全原因，不允許電路浮動。此時，請考慮通過電感將設(shè)備接地。因此，50 Hz交流電流設(shè)備的接地阻抗較小，而對于較高頻率的干擾信號，設(shè)備的接地阻抗較大，這會減小接地環(huán)路電流。但是，這只能減少高頻干擾的接地環(huán)路干擾。另一個問題是，盡管設(shè)備處于懸空狀態(tài)，但設(shè)備與地面之間仍然存在寄生電容。該電容器在較高頻率下具有較低的阻抗，因此不能有效降低高頻接地環(huán)路電流。
2）使用變壓器
解決接地環(huán)路干擾的最基本方法是切斷接地環(huán)路。這是通過隔離變壓器完成的，并且兩個設(shè)備之間的信號傳輸是通過磁場耦合完成的，避免了直接電連接。此時，接地線上的干擾電壓出現(xiàn)在變壓器的初級和次級之間，而不是在電路的輸入處。改善變壓器高頻隔離的一種方法是在變壓器的初級和次級之間放置一個屏蔽層。但是，必須注意，隔離變壓器屏蔽的接地端必須在接收電路端。否則，不僅可以改善高頻隔離效果，而且可以使高頻耦合更加嚴(yán)重。因此，
變壓器隔離的方法有一些缺點，不能傳輸直流電，體積大，成本高。由于變壓器的初級和次級之間存在寄生電容，因此高頻下的隔離不是很好。
3）使用光隔離組件
用光傳輸信號是解決接地環(huán)路問題的理想方法。如圖3所示，光耦合器器件的寄生電容約為2 pF，因此可以在很高的頻率下將其隔離。如果使用光纖，則沒有寄生電容的問題，并且可以獲得完美的隔離效果。但是，光纖的使用帶來了其他問題，例如：需要更多的功率，需要更多的外圍設(shè)備，光學(xué)連接的線形和動態(tài)范圍不能滿足模擬信號的要求，以及光纖的安裝和維護。光纜很復(fù)雜。使用時請小心。
圖3
4）使用共模扼流圈
接地電壓實際上是共模電壓。在此電壓下，流經(jīng)電纜的電流為共模電流。在連接電纜上使用共模扼流圈等效于增加接地回路的阻抗，從而使接地回路電流減小一定的接地電壓。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非常差。共模扼流圈的匝數(shù)越大，寄生電容越大，高頻隔離的效果越差。
5）通過平衡電路抑制接地電路的干擾
平衡電路定義為兩條導(dǎo)體，并且它們的連接電路相對于地面或其他參考物體具有相同的阻抗。
在高頻下很難平衡。實際電路具有許多寄生因素，例如寄生電容和電感。這些參數(shù)在較高頻率的電路阻抗中起很大作用。由于這些寄生參數(shù)的不確定性，電路的阻抗也不確定，因此很難確保兩個導(dǎo)體的阻抗完全相同。因此，在高頻下，電路平衡趨于變差，這意味著平衡電路對較高頻率的接地回路電流干擾的抑制作用較差。
3.2消除常見的阻抗耦合
有兩種消除公共阻抗耦合的方法。一種是減小公共接地線的阻抗，從而公共接地線上的電壓也降低，從而控制公共阻抗耦合。另一種方法是避免電路的公共接地，該接地容易通過適當(dāng)?shù)慕拥胤椒ㄏ嗷ジ蓴_。通常，避免強電路和弱電路的接地電路，并且數(shù)字電路和模擬電路共享接地線。平行接地的缺點是接地線太多。因此，實際上，沒有必要將所有電路在單個點上并聯(lián)接地。對于相互干擾較小的電路，可以使用串聯(lián)的單點接地。例如，可以根據(jù)強信號，弱信號，模擬信號，數(shù)字信號等對電路進行分類，然后在相同類型的電路中將其與單個點串聯(lián)接地，如圖4所示，連接不同類型的電路與單個點平行，如圖5所示。當(dāng)信號頻率低于1 MHz時，可以使用單點接地方法，以免形成環(huán)路。當(dāng)信號頻率高于10 MHz時，最好使用多點接地以最小化接地阻抗。電源線和地線應(yīng)盡可能靠近走線，以減小封閉的環(huán)路面積，從而減少環(huán)路切割引起的外部磁場干擾，并減少環(huán)路的外部電磁輻射。
如前所述，降低接地阻抗的核心問題是降低接地電感。您可以將扁平導(dǎo)體用作接地線，也可以使用相距很遠(yuǎn)的多個平行導(dǎo)體來制作接地線。對于PCB，雙層板上的接地柵格可有效降低接地阻抗。在多層PCB板中，可以將一層用作接地線以降低阻抗。