從地線的定義聊到PCB設(shè)計(jì)中的地線的干擾以及抑制辦法

什么是地線?大家在教科書上學(xué)的地線定義是：地線是作為電路電位基準(zhǔn)點(diǎn)的等電位體。這個(gè)定義是不符合實(shí)際情況的。實(shí)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(diǎn)之間的電位，會發(fā)現(xiàn)地線上各點(diǎn)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(gè)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(gè)更加符合實(shí)際的定義，他將地線定義為：信號流回源的低阻抗路徑。這個(gè)定義中突出了地線中電流的流動。按照這個(gè)定義，很容易理解地線中電位差的產(chǎn)生原因。因?yàn)榈鼐€的阻抗總不會是零，當(dāng)一個(gè)電流通過有限阻抗時(shí)，就會產(chǎn)生電壓降。因此，我們應(yīng)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(diǎn)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(shí)，地線的電阻往往在毫歐姆級，電流流過這么小的電阻時(shí)怎么會產(chǎn)生這么大的電壓降，導(dǎo)致電路工作的異常。

地線干擾機(jī)理，公共阻抗干擾當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線時(shí)，由于地線的阻抗，一個(gè)電路的地電位會受另一個(gè)電路工作電流的調(diào)制。這樣一個(gè)電路中的信號會耦合進(jìn)另一個(gè)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(shí)，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(jī)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(shè)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(gè)問題需要注意，一個(gè)是出于安全的考慮，往往不允許電路浮地。這時(shí)可以考慮將設(shè)備通過一個(gè)電感接地。這樣對于50Hz的交流電流設(shè)備接地阻抗很小，而對于頻率較高的干擾信號，設(shè)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(gè)問題是，盡管設(shè)備浮地，但設(shè)備與地之間還是有寄生電容，這個(gè)電容在頻率較高時(shí)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(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的連接利用磁路將兩個(gè)設(shè)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?yàn)轭l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(gè)辦法是在變壓器的初次級之間設(shè)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(yán)重。因此，變壓器要安裝在信號接收設(shè)備的一側(cè)。經(jīng)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(gè)切斷地環(huán)路的方法是用光實(shí)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(hù)、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(dāng)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(gè)，一個(gè)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(gè)方法是通過適當(dāng)?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(qiáng)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(dǎo)體做地線，用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線。對于印刷線路板，在雙層板上布地線網(wǎng)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(dāng)接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點(diǎn)接地。并聯(lián)接地的缺點(diǎn)是接地的導(dǎo)線過多。因此在實(shí)際中，沒有必要所有電路都并聯(lián)單點(diǎn)接地，對于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點(diǎn)接地。例如，可以將電路按照強(qiáng)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(nèi)部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。

小結(jié)：PCB中地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過地線時(shí)，會在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動下，會產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線時(shí)，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(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗。