PCB布線中地線的定義及阻抗

1．地線的定義

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(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(chǎn)生原因。因?yàn)榈鼐€的阻抗總不會是零，當(dāng)一個電流通過有限阻抗時，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。

2．地線的阻抗

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，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(chǎn)生這么大的電壓降，導(dǎo)致電路工作的異常。要搞清這個問題，首先要區(qū)分開導(dǎo)線的電阻與阻抗兩個不同的概念。電阻指的是在直流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流呈現(xiàn)的阻抗，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流的阻抗，這個阻抗主要是由導(dǎo)線的電感引起的。任何導(dǎo)線都有電感，當(dāng)頻率較高時，導(dǎo)線的阻抗遠(yuǎn)大于直流電阻，表1 給出的數(shù)據(jù)說明了這個問題。在實(shí)際電路中，造成電磁干擾的信號往往是脈沖信號，脈沖信號包含豐富的高頻成分，因此會在地線上產(chǎn)生較大的電壓。對于數(shù)字電路而言，電路的工作頻率是很高的，因此地線阻抗對數(shù)字電路的影響是十分可觀的。

表1 導(dǎo)線的阻抗（Ω）：

頻率

Hz D = 0.65

10cm 1m D = 0.27

10cm 1m D = 0.065

10cm 1m D = 0.04

10cm 1m 10 51.4m 517m 327m 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429m 7.14m 632m 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m 100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07 1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6 5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53 10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106 50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530 100M 42.6 54 71.4 77 150M 63.9 81 107 115

如果將10Hz時的阻抗近似認(rèn)為是直流電阻，可以看出當(dāng)頻率達(dá)到10MHz 時，對于1米長導(dǎo)線，它的阻抗是直流電阻的1000 倍至10萬倍。因此對于射頻電流，當(dāng)電流流過地線時，電壓降是很大的。從表上還可以看出，增加導(dǎo)線的直徑對于減小直流電阻是十分有效的，但對于減小交流阻抗的作用很有限。但在電磁兼容中，人們最關(guān)心的交流阻抗。為了減小交流阻抗，一個有效的辦法是多根導(dǎo)線并聯(lián)。當(dāng)兩根導(dǎo)線并聯(lián)時，其總電感L為：

L = ( L1 + M ) / 2

式中，L1 是單根導(dǎo)線的電感，M是兩根導(dǎo)線之間的互感。從式中可以看出，當(dāng)兩根導(dǎo)線相距較遠(yuǎn)時，它們之間的互感很小，總電感相當(dāng)于單根導(dǎo)線電感的一半。因此我們可以通過多條接地線來減小接地阻抗。但要注意的是，多根導(dǎo)線之間的距離不能過近。

3．地線干擾機(jī)理

3.1地環(huán)路干擾

圖1是兩個接地的電路。由于地線阻抗的存在，當(dāng)電流流過地線時，就會在地線上產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流較大時，這個電壓可以很大。例如附近有大功率用電器啟動時，會在地線在中流過很強(qiáng)的電流。這個電流會在兩個設(shè)備的連接電纜上產(chǎn)生電流。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成影響。由于這種干擾是由電纜與地線構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此成為地環(huán)路干擾。地環(huán)路中的電流還可以由外界電磁場感應(yīng)出來。

3.2公共阻抗干擾

當(dāng)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(diào)制。這樣一個電路中的信號會耦合進(jìn)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。圖3 的例子說明了一種干擾現(xiàn)象。圖3 是一個有四個門電路組成的簡單電路。假設(shè)門1的輸出電平由高變?yōu)榈停@時電路中的寄生電容（有時門2 的輸入端有濾波電容）會通過門1向地線放電，由于地線的阻抗，放電電流會在地線上產(chǎn)生尖峰電壓，如果這時門3 的輸出是低電平，則這個尖峰電壓就會傳到門3的輸出端，門4的輸入端，如果這個尖峰電壓的幅度超過門4 的噪聲門限，就會造成門4的誤動作。