圖解PCB地線干擾怎樣來(lái)抑制

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。而許多初學(xué)者不了解地線干擾的成因，因此對(duì)解決地線干擾問(wèn)題也就束手無(wú)策了。

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，我認(rèn)為應(yīng)該還要加上地線環(huán)路的電磁偶合干擾，因此是三類。

下圖可以很好的說(shuō)明三類地線干擾的成因。

A1、A2是級(jí)聯(lián)的兩個(gè)放大電路。由于PCB設(shè)計(jì)的客觀原因，各個(gè)電路單元在不同的板面位置，它們之間的連線必然有一定的長(zhǎng)度，這就形成了導(dǎo)線(銅鉑)電阻。

導(dǎo)線的直流電阻雖然很小，大多數(shù)情況都可以忽略，但是對(duì)于交流信號(hào)來(lái)說(shuō)，其感抗成分就不可以忽略不記，尤其是頻率比較高的時(shí)候更是如此。

地線同樣是導(dǎo)線，因此同樣存在阻抗，因此上圖中的地線J、K、L、M、N，就不可以簡(jiǎn)單的看成是等電位連線了，應(yīng)該把它們各自看成一個(gè)電抗元件。有了這個(gè)基本概念，就很容易理解三種地線干擾了。

地環(huán)路干擾

如圖所示，由于地線阻抗的存在，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，就會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流較大時(shí)，這個(gè)電壓可以很大。例如附近有大功率用電器啟動(dòng)時(shí)，會(huì)在地線在中流過(guò)很強(qiáng)的電流。

比如上圖中的“B單元電路”的地線電流，流經(jīng)地線K、L、(M、J、N)，到達(dá)接地零點(diǎn)。由于電路的不平衡性，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“B單元電路”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

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?？臻g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。

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。

小結(jié)

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(guò)地線時(shí)，會(huì)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(dòng)下，會(huì)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(huì)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。