PCB设计中的地线抑制和干扰

发表时间:2022-06-21 08:24:45 人气:176

PCB设计中的地线抑制和干扰


什么是地线?大家在教科书中对地线的定义是:地线是一个等电位体,作为电路电位的参考点。这个定义不符合实际情况。实际地线上的电位不是恒定的。如果用仪表测量地线上各点之间的电位,就会发现地线上各点的电位可能相差很大。正是这些电位差导致了电路的不正常工作。将电路定义为等电位体只是人们对地线电位的期望。 有人对地线给出了更现实的定义将地线定义为:信号流回源的低阻抗路径。在此定义中强调了地线中的电流流动。根据这个定义,就很容易理解地线产生电位差的原因了。因为地线的阻抗永远不会为零,所以当电流流过有限的阻抗时,就会出现电压降。因此,我们应该想象,地线上的电位就像大海中的波浪,一波接着一波。
说起地线阻抗引起的地线上各点之间的电位差,很多人觉得不可思议:当我们用欧姆表测量地线的电阻时,地线的电阻往往在毫欧姆级,电流流过这么小的电阻怎么会出现这么大的电压降,导致电路工作不正常。
地线干扰机理,公共阻抗干扰 当两个电路共用一根地线时,由于地线的阻抗,一个电路的地电位会受到另一个电路的工作电流的调制。这种电路中的信号耦合到另一个电路中,这种耦合称为公共阻抗耦合。
在数字电路中,由于信号频率较高,地线往往呈现较大的阻抗。这时,如果有不同的电路共用一段地线,可能会出现公共阻抗耦合的问题
地线干扰对策、地回路对策 从地回路干扰的机理来看,只要降低地回路中的电流,就可以降低地回路干扰。如果能完全消除接地回路中的电流,就可以彻底解决接地回路干扰的问题。因此,我们提出以下解决方案来解决接地环路干扰。
A. 使器件一端浮地 如果一端电路浮地,则接地回路被切断,因此可以消除接地回路电流。但是有两个需要注意的问题,一是出于安全考虑,电路往往不允许浮空。在这种情况下,请考虑通过电感器将设备接地。这样50Hz交流电流设备的接地阻抗很小,而对于频率较高的干扰信号,设备的接地阻抗比较大,降低了接地回路电流。但这样做只能减少高频干扰的地环路干扰。另一个问题是,虽然器件处于浮地状态,但器件与地之间仍然存在寄生电容。该电容在较高频率下提供较低阻抗,因此不能有效降低高频接地回路电流。
B、使用变压器实现设备之间的连接。使用磁路将两个设备连接起来,可以切断接地回路电流。但需要注意的是,变压器初级和次级之间的寄生电容仍然可以为高频接地回路电流提供通路,所以变压器隔离方式对高频接地回路电流的抑制效果较差.提高变压器高频隔离效果的一种方法是在变压器的初级和次级之间设置屏蔽层。但必须注意,隔离变压器屏蔽层的接地端必须在电路的接收端。否则,不仅不能提高高频隔离效果,还会使高频耦合更加严重。因此,变压器应安装在信号接收装置的一侧。良好屏蔽的变压器可以在低于 1MHz 的频率下提供有效的隔离。
C. 使用光隔离器切断接地回路的另一种方法是使用光来传输信号。这可以说是解决地环路干扰问题的最理想的方式。光连接有两种方法,一种是光耦器件,另一种是光纤连接。光耦的寄生电容一般为2pf,可以在非常高的频率下提供良好的隔离。光纤几乎没有寄生电容,但在安装、维护、成本等方面不如光耦合器。
D、在连接电缆上使用共模扼流圈,相当于增加接地回路的阻抗,使接地回路电流在一定的接地电压作用下减小。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容,否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈圈数越多,寄生电容越大,高频隔离越差。
取消公共阻抗耦合取消除了常见的阻抗耦合外,还有两种方式。一是降低公共地线的阻抗,使公共地线上的电压也降低,从而控制公共阻抗耦合。另一种方法是通过适当的接地方式,避开容易相互干扰的电路的公共地线。一般要避免强电电路和弱电电路共用地线,数字电路和模拟电路共用地线。如前所述,降低地线阻抗的核心问题是降低地线的电感。这包括使用扁平导体接地和多个平行导体间隔开接地。对于印刷电路板,在双层板上铺设地线栅,可以有效降低地线阻抗。多层板虽然专门使用一层地线,虽然阻抗很小,但是会增加电路板的成本。 .通过适当接地避免公共阻抗的接地方法是单点并联接地。并联接地的缺点是接地线太多。因此,在实际应用中,并非所有电路都必须单点并联接地。对于相互干扰较小的电路,可采用单点串联接地。例如,电路可以按照强信号、弱信号、模拟信号、数字信号等进行分类,然后在同类电路内采用串联单点接地,对不同类型的电路采用并联单点接地。


总结:PCB中地线造成电磁干扰的主要原因是地线的阻抗。当电流流过地线时,地线上会产生电压,这就是地线噪声。在这个电压的驱动下,会产生一个接地回路电流,造成接地回路干扰。当两个电路共享一段接地时,会发生公共阻抗耦合。解决接地回路干扰的方法是切断接地回路,增加接地回路的阻抗,使用平衡电路。解决公共阻抗耦合的方法是降低公共地线的阻抗,或者采用单点接地并联,彻底消除公共阻抗。

 

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