中心議題：
- 地線干擾產(chǎn)生的原因
- 地線干擾機(jī)理
- 解決地線干擾的方法
解決方案：
在PCB設(shè)計中，尤其是在高頻電路中,，經(jīng)常會遇到由于地線干擾而引起的一些不規(guī)律,、不正常的現(xiàn)象。本文對地線產(chǎn)生干擾的原因進(jìn)行分析,，詳細(xì)介紹了地線產(chǎn)生干擾的三種類型,，并根據(jù)實際應(yīng)用中的經(jīng)驗提出了解決措施。這些抗干擾方法在實際應(yīng)用中取得了良好的效果,，使一些系統(tǒng)在現(xiàn)場成功運行,。
1 產(chǎn)生干擾的原因
電阻與阻抗兩個不同的概念。電阻指的是在直流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流呈現(xiàn)的阻抗,，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流的阻抗,，這個阻抗主要是由導(dǎo)線的電感引起的。由于地線總是存在阻抗,，因此用萬用表測量地線時,，地線的電阻一般是mmΩ級。
以PCB上一段長10 cm,、寬1.5 mm,，厚度為50μm的導(dǎo)線為例，通過計算可得到其阻抗的大小,。R=ρL／s(Ω),，式中L為導(dǎo)線長度(m)，s為導(dǎo)線截面積(mm2),，ρ為電阻率ρ=0.02,，因此該導(dǎo)線電阻值約為0．026 Ω。
當(dāng)一段導(dǎo)線與其他導(dǎo)線遠(yuǎn)離并且其長度遠(yuǎn)大于寬度時,，導(dǎo)線的自感量為0．8 μH／m,，那么10 cm長的導(dǎo)線的電感量是0．08μH。再由下面的公式求出導(dǎo)線感抗：XL=2πfL,，下式中，f為導(dǎo)線通過信號的頻率(Hz),，L為單位長度導(dǎo)線的自感量(H),。所以分別計算出該導(dǎo)線在低頻和高頻下的感抗值：
在實際電路中，造成電磁干擾的信號往往是脈沖信號,，脈沖信號包含豐富的高頻成分,，因此會在地線上產(chǎn)生較大的電壓。通過以上的公式計算可以看出，在低頻信號傳輸中導(dǎo)線電阻大于導(dǎo)線感抗,，對于數(shù)字電路,，電路的工作頻率很高，在高頻信號中導(dǎo)線感抗要遠(yuǎn)大于導(dǎo)線電阻,。因此,，地線阻抗對數(shù)字電路的影響是十分可觀的。這就是電流流過小電阻時產(chǎn)生大壓降,，導(dǎo)致電路工作異常的原因,。
2 地線干擾機(jī)理
2．1 地環(huán)路干擾
地環(huán)路干擾是一種較常見的干擾現(xiàn)象，常常發(fā)生在通過較長電纜連接并且相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間,。地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗,，當(dāng)電流流過地線時，會在地線上產(chǎn)生電壓,，這就是地線噪聲,。在這個電壓的驅(qū)動下，會產(chǎn)生地線環(huán)路電流,，形成地環(huán)路干擾,。如圖1所示是兩個接地的電路。
圖1 地環(huán)路干擾
由于兩個設(shè)備的地電位不同,，形成地電壓,，在這個電壓的驅(qū)動下，“設(shè)備1一互聯(lián)電纜一設(shè)備2一地”形成的環(huán)路之間有電流流動,。由于電路的不平衡性,，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓,，對電路造成干擾,。
由于地環(huán)路干擾是因地環(huán)路電流而導(dǎo)致的，因此有時會發(fā)現(xiàn),，當(dāng)把一個設(shè)備的地線斷開后,，干擾現(xiàn)象消失，這是因為地線斷開時切斷了地環(huán)路,。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在低頻干擾的場合,，當(dāng)干擾頻率較高時，斷開地線與否關(guān)系不大,。
2．2 公共阻抗干擾
在數(shù)字電路中,，由于信號的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗,。這時,，當(dāng)幾個電路共用一段地線時,，由于地線的阻抗，一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調(diào)制,，這樣一個電路中的信號會耦合進(jìn)另一個電路,，這種耦合稱為公共阻抗耦合。
解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗,，或采用單點接地,，徹底消除公共阻抗圖2的例子說明了一種干擾現(xiàn)象。圖2是一個有四個門電路組成的簡單電路,。假設(shè)門1的輸出電平由高變?yōu)榈?，這時電路中的寄生電容(有時門2的輸入端有濾波電容)會通過門1向地線放電，由于地線的阻抗,，放電電流會在地線上產(chǎn)生尖峰電壓,，如果這時門3的輸出是低電平，則這個尖峰電壓就會傳到門3的輸出端,，門4的輸入端,，如果這個尖峰電壓的幅度超過門4的噪聲門限，就會造成門4的誤動作,。
圖2 地線阻抗造成的電路誤動作
2．3 地環(huán)路電磁耦合干擾
圖1所示的“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(chǎn)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(yán)重。
3 解決地線干擾的方法
3．1 解決地環(huán)路干擾
解決地環(huán)路干擾的基本思路有3個：一個是減小地線的阻抗,，從而減小干擾電壓,，但是這對第二種原因?qū)е碌牡丨h(huán)路干擾沒有效果。第二個方法是改變接地結(jié)構(gòu),，將一個機(jī)箱的地線連接到另一個機(jī)箱上,，通過另一個機(jī)箱接地，這就是單點接地的概念,。第三個是增加地環(huán)路的阻抗,，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無限大時,，實際是將地環(huán)路切斷,，即消除了地環(huán)路。因此提出以下幾種解決地環(huán)路干擾的方案,。
1)將一側(cè)的設(shè)備浮地
如果將一側(cè)電路浮地,，就切斷了地環(huán)路，因此可以消除地環(huán)路電流,。但有兩個問題需要注意,，一個是出于安全的考慮，不允許電路浮地,。這時可以考慮將設(shè)備通過一個電感接地,。這樣對于50 Hz的交流電流設(shè)備接地阻抗很小，而對于頻率較高的干擾信號,，設(shè)備接地阻抗較大,，減小了地環(huán)路電流。但這樣做只能減小高頻干擾的地環(huán)路干擾,。另一個問題是,，盡管設(shè)備浮地，但設(shè)備與地之間還是有寄生電容,，這個電容在頻率較高時會提供較低的阻抗,，因此并不能有效地減小高頻地環(huán)路電流。
2)使用變壓器
解決地環(huán)路干擾的最基本方法是切斷地環(huán)路,。用隔離變壓器就起到這個作用,，兩個設(shè)備之間的信號傳輸通過磁場耦合進(jìn)行，而避免了電氣直接連接,。這時地線上的干擾電壓出現(xiàn)在變壓器的初次級之間,，而不是在電路的輸入端。提高變壓器高頻隔離效果的一個辦法是在變壓器的初次級之間設(shè)置屏蔽層,。但一定要注意隔離變壓器屏蔽層的接地端必須在接受電路一端,。否則，不僅不能改善高頻隔離效果,，還可能使高頻耦合更加嚴(yán)重,。因此，變壓器要安裝在信號接收設(shè)備的一側(cè),。
變壓器隔離的方法有一些缺點,，不能傳輸直流，體積大,，成本高,。由于變壓器的初次級之間有寄生電容，因此高頻時的隔離效果不是很好,。
3)使用光隔離元件
用光傳輸信號是解決地環(huán)路問題的理想方法,。如圖3所示，光耦器件的寄生電容為2 pF左右,，因此能夠在很高的頻率起到隔離作用,。如果使用光纖,，則沒有寄生電容的問題，能夠獲得十分完善的隔離效果,。但是,，用光纖會帶來其它問題，如：需要更大的功率,、需要更多的外圍器件,，光連接的線形和動態(tài)范圍都達(dá)不到模擬信號的要求、光纜的安裝和維護(hù)比較復(fù)雜等,，使用時應(yīng)注意,。
圖3 使用光隔離元件
4)使用共模扼流圈
地線電壓實際是一種共模電壓，在這個電壓的驅(qū)動下,，電纜中流過的電流是共模電流,。在連接電纜上使用共模扼流圈相當(dāng)于增加了地環(huán)路的阻抗，這樣在一定的地線電壓作用下,，地環(huán)路電流會減小,。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容，否則對高頻干擾的隔離效果很差,。共模扼流圈的匝數(shù)越多,，則寄生電容越大，高頻隔離的效果越差,。
5)平衡電路對地環(huán)路干擾的抑制
平衡電路的定義是兩個導(dǎo)體及其所連接的電路相對于地線或其他參考物體具有相同的阻抗,。
高頻時平衡是很困難的，實際的電路會有很多寄生因素,，如寄生電容,、電感等。這些參數(shù)在頻率較高時對電路阻抗發(fā)揮著較大作用,。由于這些寄生參數(shù)的不確定性,，電路的阻抗也是不確定的，因此很難保證兩個導(dǎo)體的阻抗完全相同,。因此,，在高頻時，電路平衡性往往較差,，這意味著：平衡電路對頻率較高的地環(huán)路電流干擾抑制效果較差,。
3．2 消除公共阻抗耦合
消除公共阻抗耦合的途徑有兩個，一個是減小公共地線部分的阻抗,，這樣公共地線上的電壓也隨之減小,，從而控制公共阻抗耦合。另一個方法是通過適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線,，一般要避免強(qiáng)電電路與弱電電路共用地線,，數(shù)字電路與模擬電路共用地線等,。并聯(lián)接地的缺點是接地的導(dǎo)線過多。因此在實際中,，沒有必要所有電路都并聯(lián)單點接地,，對于相互干擾較少的電路,，可以采用串聯(lián)單點接地,。例如，可以將電路按照強(qiáng)信號,，弱信號,，模擬信號，數(shù)字信號等分類,，然后在同類電路內(nèi)部用串聯(lián)單點接地,，如圖4所示，不同類型的電路采用并聯(lián)單點接地,，如圖5所示,。當(dāng)信號頻率低于1 MHz時可采用單點接地的方法，使其不形成回路,。信號頻率高于10 MHz時最好采用多點接地,，盡量降低地線阻抗。電源線與地線應(yīng)盡量靠近走線以減少所包圍的環(huán)路面積,，從而減少外界磁場對環(huán)路切割產(chǎn)生的電場干擾,，同時也減少環(huán)路對外電磁輻射。
圖4 串聯(lián)單點接地
圖5 并聯(lián)單點接地
如前所述,，減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感,。可以使用扁平導(dǎo)體做地線,，或用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線,。對于PCB，在雙層板上布地線網(wǎng)格能夠有效地減小地線阻抗,，在多層板中可以專門用一層做地線來減小阻抗,。
4 結(jié)論
抗干擾設(shè)計是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計的好壞往往決定整個系統(tǒng)的成敗,。關(guān)于接地,，許多關(guān)于電磁兼容的專著中都有詳細(xì)的論述，但是,，最好的接地方式應(yīng)該是通過試驗來選定的,，地線干擾也要通過試驗來查找和排除。本文介紹了地線引起干擾的原因和解決方法,，說明了地線設(shè)計中的一般方法和原則,，只有在理論的指導(dǎo)下,，經(jīng)過大量的試驗過程和經(jīng)驗積累才能更好地掌握接地系統(tǒng)的設(shè)計方法和干擾排除手段，從而更好的提高電路工作的可靠性,。