地線干擾的形式分類及信號接地方式
出處:維庫電子市場網 發(fā)布于:2018-04-02 11:04:37
這里,我們不考慮用于降低“外部噪聲”(與信號一起到達系統(tǒng))的技術,因為其存在一般不受設計工程師直接控制。相比之下,防止“內部噪聲”(電路或系統(tǒng)內部產生或耦合的噪聲)擾亂信號則是設計工程師的直接責任。今天我們就說說“接地”,而且是針對高頻工作的“接地"
“接地”(Grounding)一般指將電路、設備或系統(tǒng)連接到一個作為參考電位點或參考電位面的良好導體上,為電路或系統(tǒng)與“地”之間建立一個低阻抗的通道。
地線是作為電路或系統(tǒng)電位基準點的等電位體,是系統(tǒng)中各個電路的公共導體,任何電路的電流都會經過地線形成回路。然而,任何導體都存在著一定的阻抗,當地線中有電流通過時,根據歐姆定律,地線上就會有電壓存在,那么地線就不是一個等電位體。所以在實際設計電路或系統(tǒng)時,關于地線上各點的電位一定相等的假設就不是成立的,實際的情況是底線上各點存在電位差,有的相位差還可能很大。地線的公共阻抗會使各接地點間形成一定的電壓,從而就會產生接地干擾。
如上面所說,地線作為導體,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:
導體的阻抗是頻率的函數,隨著頻率的升高,阻抗增加很快。對于高速數字電路而言,電路的時鐘頻率是很高的,脈沖信號包涵豐富的高頻成分,因此會在地線上產生較大的電壓,則地線阻抗對數字電路的干擾十分可觀。
在電子產品的PCB設計中,抑制或防止地線干擾是需要考慮的主要問題之一。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公用地線的方式產生的信號干擾。注意這里所提到的信號,通常是指交流信號或者跳變信號。地線干擾的形式很多,有人把它歸結成兩類:地線環(huán)路干擾、公共阻抗干擾,其實應該還要加上地線環(huán)路的電磁耦合干擾,因此是三類。下圖可以很好的說明三類地線干擾的成因。
一、地環(huán)路干擾。橫向,每根導線上的電流不同,因此會產生差模電壓,對電路造成影響。具體的說就是“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成的環(huán)路電流產生的,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,根據電磁感應定律,如果這個環(huán)路所包圍的面積中有變化的磁場存在,就會在環(huán)路中產生感生電流,形成干擾??臻g磁場的變化無處不在,于是包圍的面積越大干擾就越嚴重。
三、公共阻抗干擾。認真考察上圖所示的電路結構,我們將發(fā)現,J、N、L、M中,有一條連接是多余的,隨便去除其一,仍然可以滿足各個接地點的連通關系,同時又可以消除地線環(huán)路。那么,將哪一條連線去除比較合理呢?這時就要考慮另一類的干擾問題——公共阻抗干擾。
①去除J:這是差的方案。J去除后地線環(huán)路似乎消失了,可是另一個更可怕的環(huán)路又形成了(I、N、L、M),其中I是信號線,因此干擾比原來有線J時還要嚴重。
②去除M:環(huán)路消失,但是我們發(fā)現,此時放大器A2的地線電流需要流過J、N到達接地零點,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”。
?、廴コ齃:不僅不能解決A2與A1之間的公共阻抗干擾問題,還引起了“B單元電路”與A1、A2之間的公共阻抗干擾問題。
?、苋コ齆:看來這是的方法。其實這樣做將使M成為A1、A2的“公用阻抗”,同樣形成干擾。還是存在問題!但是,我們注意到,此法中的干擾是A1對A2的干擾,A2是后級,工作信號強度遠大于A1,因此A1對A2的干擾,很難造成不良后果。
合理的走線方案是:去除N,然后將M的下端直接連到“接地信號零點”上。
以上是關于接地干擾產生的原因,下面再介紹的幾種常見的接地方式,結合前面對接地干擾產生原因的了解,有助于我們在實際設計PCB板電路時,正確的選擇干擾的接地方式,設計出合理的電路或系統(tǒng)。
信號接地方式可以大體上分為:單點接地、多點接地、混合接地和懸浮接地。
一、單點接地。單點接地就是把真?zhèn)€電路系統(tǒng)中的某一點作為接地的基準點,所有電路及設備的地線都必須接到這一點上,并以該點作為電路、設備的零電位參考點。單點接地又分為串聯單點接地和并聯單點接地。如下圖所示:
對于串聯式單點接地方式,如果該電路的功率很大,會產生很大的電路回流,在有限阻抗上會產生一個電壓降,造成電路和基準地之間的電壓參考值的差異可能使系統(tǒng)不能如預期的那樣工作。如存在多種不同功率等級的電路,不能采用串聯式單點接地方式,因為大功率電路產生大的回地電流,將影響低功率器件和電路。如果說一定要采取這種接地方法,那么敏感的電路必須直接設置在電源輸入位置處,并且盡量遠離低功率器件和電路。串聯單點接地方式和結構都比較簡單,如果各個電路的接地引線比較短,其阻抗也會相對小。如果各個電路的接地電平差別不大,可以采用這種接地方式。
并聯單點接地方式中,每個電路單元獨用地線連接到同意地點,其優(yōu)點是各電路的地點為只與本電路的地電流及地線阻抗有關,不受其他電路的影響。低頻時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。主要表現在:首先,各個電路分別采用獨立地線接地,需要多跟地線,勢必增加地線長度,從而增加地阻抗,結構復雜使用麻煩;其次,這種接地方式會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、電線電容都會增大,這種接地方式不適用高頻電路。
二、多點接地。多點接地是指某一個系統(tǒng)中各個需要接地的電路、設備都直接接到距離它近的接地平面上,一邊接地長度短,接地阻抗減到。
當電子系統(tǒng)的工作頻率高于1MHz時,以致工作波長與系統(tǒng)接地引線的長度可比擬時,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,地線的長度應小于1/20波長,因而單點接地方法是不合理的,通常采用多點接地技術。多點接地電路結構簡單,接地線上可能出現的高頻駐波現象顯著減少,但多點接地可能會導致設備內部形成許多接地環(huán)路,容易對設備內部的敏感店里產生地環(huán)路干擾。
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