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最主要問題之一,。而許多初學者不了解地線干擾的成因,因此對解決地線干擾問題也就束手無策了,。
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,,我認為應該還要加上地線環(huán)路的電磁偶合干擾,,因此是三類。下圖可以很好的說明三類地線干擾的成因,。
A1,、A2是級聯(lián)的兩個放大電路。由于PCB設計的客觀原因,,各個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度,這就形成了導線(銅鉑)電阻,。導線的直流電阻雖然很小,,大多數情況都可以忽略,但是對于交流信號來說,,其感抗成分就不可以忽略不記,,尤其是頻率比較高的時候更是如此,。地線同樣是導線,因此同樣存在阻抗,,因此上圖中的地線J,、K、L,、M,、N,就不可以簡單的看成是等電位連線了,,應該把它們各自看成一個電抗元件,。有了這個基本概念,就很容易理解三種地線干擾了,。
一,、地環(huán)路干擾
如圖所示,由于地線阻抗的存在,,當電流流過地線時,,就會在地線上產生電壓。當電流較大時,,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的電流,。比如上圖中的“B單元電路”的地線電流,,流經地線K、L,、(M,、J、N),,到達接地零點,。由于電路的不平衡性,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“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,。
?、偃コ齁: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,。
?、谌コ齅: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:看來這是最后的方法。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,。
最合理的走線方案是:去除N,然后將M的下端直接連到“接地信號零點”上,。
四,、小結
地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗,當電流流過地線時,,會在地線上產生電壓,,這就是地線噪聲。在這個電壓的驅動下,,會產生地線環(huán)路電流,,形成地環(huán)路干擾。當兩個電路共用一段地線時,,會形成公共阻抗耦合,。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)單點接地,徹底消除公共阻抗,。