地線干擾的形式分類及信號(hào)接地方式

在大多數(shù)電子系統(tǒng)中，降噪是一個(gè)重要設(shè)計(jì)問(wèn)題。與功耗限制、環(huán)境溫度變化、尺寸限制以及速度和精度要求一樣，必須處理好無(wú)所不在的噪聲因素，才能使最終設(shè)計(jì)獲得成功。

這里，我們不考慮用于降低“外部噪聲”（與信號(hào)一起到達(dá)系統(tǒng)）的技術(shù)，因?yàn)槠浯嬖谝话悴皇茉O(shè)計(jì)工程師直接控制。相比之下，防止“內(nèi)部噪聲”（電路或系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生或耦合的噪聲）擾亂信號(hào)則是設(shè)計(jì)工程師的直接責(zé)任。今天我們就說(shuō)說(shuō)“接地”，而且是針對(duì)高頻工作的“接地"

“接地”(Grounding)一般指將電路、設(shè)備或系統(tǒng)連接到一個(gè)作為參考電位點(diǎn)或參考電位面的良好導(dǎo)體上，為電路或系統(tǒng)與“地”之間建立一個(gè)低阻抗的通道。

地線是作為電路或系統(tǒng)電位基準(zhǔn)點(diǎn)的等電位體，是系統(tǒng)中各個(gè)電路的公共導(dǎo)體，任何電路的電流都會(huì)經(jīng)過(guò)地線形成回路。然而，任何導(dǎo)體都存在著一定的阻抗，當(dāng)?shù)鼐€中有電流通過(guò)時(shí)，根據(jù)歐姆定律，地線上就會(huì)有電壓存在，那么地線就不是一個(gè)等電位體。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)電路或系統(tǒng)時(shí)，關(guān)于地線上各點(diǎn)的電位一定相等的假設(shè)就不是成立的，實(shí)際的情況是底線上各點(diǎn)存在電位差，有的相位差還可能很大。地線的公共阻抗會(huì)使各接地點(diǎn)間形成一定的電壓，從而就會(huì)產(chǎn)生接地干擾。

如上面所說(shuō)，地線作為導(dǎo)體，存在一定的阻抗，顧名思義，阻抗也就是由電阻和感抗兩部分組成，即：

導(dǎo)體的阻抗是頻率的函數(shù)，隨著頻率的升高，阻抗增加很快。對(duì)于高速數(shù)字電路而言，電路的時(shí)鐘頻率是很高的，脈沖信號(hào)包涵豐富的高頻成分，因此會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電壓，則地線阻抗對(duì)數(shù)字電路的干擾十分可觀。

在電子產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)中，抑制或防止地線干擾是需要考慮的最主要問(wèn)題之一。所謂干擾，必然是發(fā)生在不同的單元電路、部件或系統(tǒng)之間，而地線干擾是指通過(guò)公用地線的方式產(chǎn)生的信號(hào)干擾。注意這里所提到的信號(hào)，通常是指交流信號(hào)或者跳變信號(hào)。地線干擾的形式很多，有人把它歸結(jié)成兩類：地線環(huán)路干擾、公共阻抗干擾，其實(shí)應(yīng)該還要加上地線環(huán)路的電磁耦合干擾，因此是三類。下圖可以很好的說(shuō)明三類地線干擾的成因。

一、地環(huán)路干擾。橫向，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成影響。具體的說(shuō)就是“其他電路單元B”的地線電流，在J、N、L、M形成的“地線環(huán)路”中，對(duì)放大器A1和A2造成了影響。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。

二、地環(huán)路電磁耦合干擾。在實(shí)際電路的PCB上，J、N、L、M形成的“地線環(huán)路”將包圍一定的面積，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，如果這個(gè)環(huán)路所包圍的面積中有變化的磁場(chǎng)存在，就會(huì)在環(huán)路中產(chǎn)生感生電流，形成干擾。空間磁場(chǎng)的變化無(wú)處不在，于是包圍的面積越大干擾就越嚴(yán)重。

三、公共阻抗干擾。認(rèn)真考察上圖所示的電路結(jié)構(gòu)，我們將發(fā)現(xiàn)，J、N、L、M中，有一條連接是多余的，隨便去除其一，仍然可以滿足各個(gè)接地點(diǎn)的連通關(guān)系，同時(shí)又可以消除地線環(huán)路。那么，將哪一條連線去除比較合理呢？這時(shí)就要考慮另一類的干擾問(wèn)題——公共阻抗干擾。

①去除J：這是最差的方案。J去除后地線環(huán)路似乎消失了，可是另一個(gè)更可怕的環(huán)路又形成了（I、N、L、M），其中I是信號(hào)線，因此干擾比原來(lái)有線J時(shí)還要嚴(yán)重。

②去除M：環(huán)路消失，但是我們發(fā)現(xiàn)，此時(shí)放大器A2的地線電流需要流過(guò)J、N到達(dá)接地零點(diǎn)，注意N段是A1和A2共同的接地線，因此A2接地電流在N上形成的電壓降就加到了A1上，形成干擾。這種因共用一段地線而形成的干擾稱為“公共阻抗干擾”。

③去除L：不僅不能解決A2與A1之間的公共阻抗干擾問(wèn)題，還引起了“B單元電路”與A1、A2之間的公共阻抗干擾問(wèn)題。

④去除N：看來(lái)這是最后的方法。其實(shí)這樣做將使M成為A1、A2的“公用阻抗”，同樣形成干擾。還是存在問(wèn)題！但是，我們注意到，此法中的干擾是A1對(duì)A2的干擾，A2是后級(jí)，工作信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于A1，因此A1對(duì)A2的干擾，很難造成不良后果。

最合理的走線方案是：去除N，然后將M的下端直接連到“接地信號(hào)零點(diǎn)”上。

以上是關(guān)于接地干擾產(chǎn)生的原因，下面再介紹的幾種常見(jiàn)的接地方式，結(jié)合前面對(duì)接地干擾產(chǎn)生原因的了解，有助于我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)PCB板電路時(shí)，正確的選擇干擾最小的接地方式，設(shè)計(jì)出合理的電路或系統(tǒng)。

信號(hào)接地方式可以大體上分為：?jiǎn)吸c(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地和懸浮接地。

一、單點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地就是把真?zhèn)€電路系統(tǒng)中的某一點(diǎn)作為接地的基準(zhǔn)點(diǎn)，所有電路及設(shè)備的地線都必須接到這一點(diǎn)上，并以該點(diǎn)作為電路、設(shè)備的零電位參考點(diǎn)。單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。如下圖所示：

圖２.串聯(lián)單點(diǎn)接地

對(duì)于串聯(lián)式單點(diǎn)接地方式,如果該電路的功率很大,會(huì)產(chǎn)生很大的電路回流,在有限阻抗上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓降,造成電路和基準(zhǔn)地之間的電壓參考值的差異可能使系統(tǒng)不能如預(yù)期的那樣工作。如存在多種不同功率等級(jí)的電路,不能采用串聯(lián)式單點(diǎn)接地方式,因?yàn)榇蠊β孰娐樊a(chǎn)生大的回地電流,將影響低功率器件和電路。如果說(shuō)一定要采取這種接地方法,那么最敏感的電路必須直接設(shè)置在電源輸入位置處,并且盡量遠(yuǎn)離低功率器件和電路。串聯(lián)單點(diǎn)接地方式和結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，如果各個(gè)電路的接地引線比較短，其阻抗也會(huì)相對(duì)小。如果各個(gè)電路的接地電平差別不大，可以采用這種接地方式。

并聯(lián)單點(diǎn)接地方式中，每個(gè)電路單元獨(dú)用地線連接到同意地點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是各電路的地點(diǎn)為只與本電路的地電流及地線阻抗有關(guān)，不受其他電路的影響。低頻時(shí)可有效的避免各電路單元之間的低阻抗干擾，但是也存在很多缺點(diǎn)。主要表現(xiàn)在：首先，各個(gè)電路分別采用獨(dú)立地線接地，需要多跟地線，勢(shì)必增加地線長(zhǎng)度，從而增加地阻抗，結(jié)構(gòu)復(fù)雜使用麻煩；其次，這種接地方式會(huì)造成各地線互相間的耦合，并且隨著頻率增加，地線阻抗、地線電感、電線電容都會(huì)增大，這種接地方式不適用高頻電路。

二、多點(diǎn)接地。多點(diǎn)接地是指某一個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)需要接地的電路、設(shè)備都直接接到距離它最近的接地平面上，一邊接地長(zhǎng)度最短，接地阻抗減到最小。

當(dāng)電子系統(tǒng)的工作頻率高于1MHz時(shí),以致工作波長(zhǎng)與系統(tǒng)接地引線的長(zhǎng)度可比擬時(shí),地線就象一根終端短路的傳輸線,地線的電流、電壓呈駐波分布,地線變成了輻射天線,而不能起到地線的作用。為了減少接地阻抗,避免輻射,地線的長(zhǎng)度應(yīng)小于1/20波長(zhǎng),因而單點(diǎn)接地方法是不合理的,通常采用多點(diǎn)接地技術(shù)。多點(diǎn)接地電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象顯著減少,但多點(diǎn)接地可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部形成許多接地環(huán)路,容易對(duì)設(shè)備內(nèi)部的敏感店里產(chǎn)生地環(huán)路干擾。