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PCB地線干擾與抑制
在PCB設(shè)計(jì)中，尤其是在高頻電路中，經(jīng)常會(huì)遇到由于接地干擾而引起的一些不正常現(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(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)提出解決方案。這些抗干擾方法在實(shí)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(chǎng)成功運(yùn)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(huì)使它們導(dǎo)電。在此過(guò)程中必須有一定的阻抗。導(dǎo)線中的電感成分會(huì)影響電壓信號(hào)的傳輸。電阻分量將影響電流信號(hào)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(jì)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(duì)電流的阻抗，而阻抗是在交流狀態(tài)下電線對(duì)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(wàn)用表測(cè)量接地線時(shí)，接地線的電阻通常為mmΩ。
以在PCB上的長(zhǎng)度為10cm，寬度為1.5mm，厚度為50μm的電線為例，可以通過(guò)計(jì)算獲得阻抗。R =ρL/ s（Ω），其中L是導(dǎo)線長(zhǎng)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(zhǎng)度遠(yuǎn)離其他導(dǎo)線并且其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度時(shí)，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(guò)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(guò)信號(hào)的頻率（Hz），L是每單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的自感（H）。因此，分別在低頻和高頻下計(jì)算導(dǎo)線的電感電抗值：
在實(shí)際電路中，引起電磁干擾的信號(hào)通常是脈沖信號(hào)，并且該脈沖信號(hào)包含豐富的高頻成分，因此在地面上會(huì)產(chǎn)生很大的電壓。從上面的公式計(jì)算可以看出，在低頻信號(hào)傳輸中，導(dǎo)線電阻高于導(dǎo)線電感。對(duì)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(hào)中的導(dǎo)線電阻大得多。因此，接地阻抗對(duì)數(shù)字電路的影響很大。這就是為什么當(dāng)電流流過(guò)小電阻器時(shí)會(huì)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(jī)制
2.1接地回路干擾
接地環(huán)路干擾是一種相對(duì)常見(jiàn)的干擾類型，通常發(fā)生在通過(guò)長(zhǎng)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(guò)接地線時(shí)，在接地線上會(huì)產(chǎn)生電壓。這是地線的噪音。在此電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)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(gè)接地電路。
圖1
由于兩個(gè)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(dòng)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(dòng)。由于電路的不平衡，每條導(dǎo)線上的電流都不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，并且會(huì)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(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斷開(kāi)一臺(tái)設(shè)備的接地時(shí)，由于在斷開(kāi)接地線時(shí)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(shí)，是否斷開(kāi)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(hào)的高頻，接地線傾向于表現(xiàn)出較大的阻抗。此時(shí)，當(dāng)多個(gè)電路共享一條地線時(shí)，由于該地線的阻抗，一個(gè)電路的地電位被另一電路的工作電流調(diào)制，從而一個(gè)電路中的信號(hào)耦合到另一個(gè)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(diǎn)接地來(lái)完全消除公共阻抗。圖2的示例說(shuō)明了干擾現(xiàn)象。圖2是具有四個(gè)門的簡(jiǎn)單電路。假設(shè)門1的輸出電平從高電平變?yōu)榈碗娖健４藭r(shí)，電路中的寄生電容（有時(shí)在柵極2的輸入處的濾波電容器）將通過(guò)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(huì)產(chǎn)生尖峰電壓。如果此時(shí)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(guò)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(chǎng)，則會(huì)在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流以形成干擾。。空間磁場(chǎng)的變化無(wú)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(duì)第二種原因引起的接地環(huán)路干擾沒(méi)有影響。第二種方法是更改接地結(jié)構(gòu)，將一個(gè)機(jī)箱的接地線連接到另一個(gè)機(jī)箱，然后將另一個(gè)機(jī)箱接地。這就是單點(diǎn)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(wú)限大時(shí)，實(shí)際上會(huì)切斷接地回路，也就是說(shuō)，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(gè)問(wèn)題，一個(gè)是出于安全原因，不允許電路浮動(dòng)。此時(shí)，請(qǐng)考慮通過(guò)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(duì)于較高頻率的干擾信號(hào)，設(shè)備的接地阻抗較大，這會(huì)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(gè)問(wèn)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(guò)隔離變壓器完成的，并且兩個(gè)設(shè)備之間的信號(hào)傳輸是通過(guò)磁場(chǎng)耦合完成的，避免了直接電連接。此時(shí)，接地線上的干擾電壓出現(xiàn)在變壓器的初級(jí)和次級(jí)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(jí)和次級(jí)之間放置一個(gè)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(diǎn)，不能傳輸直流電，體積大，成本高。由于變壓器的初級(jí)和次級(jí)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(hào)是解決接地環(huán)路問(wèn)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(méi)有寄生電容的問(wèn)題，并且可以獲得完美的隔離效果。但是，光纖的使用帶來(lái)了其他問(wèn)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(dòng)態(tài)范圍不能滿足模擬信號(hào)的要求，以及光纖的安裝和維護(hù)。光纜很復(fù)雜。使用時(shí)請(qǐng)小心。
圖3
4）使用共模扼流圈
接地電壓實(shí)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(duì)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(guò)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(duì)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(shí)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(gè)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(duì)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(jiàn)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(guò)適當(dāng)?shù)慕拥胤椒ㄏ嗷ジ蓴_。通常，避免強(qiáng)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(diǎn)是接地線太多。因此，實(shí)際上，沒(méi)有必要將所有電路在單個(gè)點(diǎn)上并聯(lián)接地。對(duì)于相互干擾較小的電路，可以使用串聯(lián)的單點(diǎn)接地。例如，可以根據(jù)強(qiáng)信號(hào)，弱信號(hào)，模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)等對(duì)電路進(jìn)行分類，然后在相同類型的電路中將其與單個(gè)點(diǎn)串聯(lián)接地，如圖4所示，連接不同類型的電路與單個(gè)點(diǎn)平行，如圖5所示。當(dāng)信號(hào)頻率低于1 MHz時(shí)，可以使用單點(diǎn)接地方法，以免形成環(huán)路。當(dāng)信號(hào)頻率高于10 MHz時(shí)，最好使用多點(diǎn)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(chǎng)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(wèn)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(gè)平行導(dǎo)體來(lái)制作接地線。對(duì)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。