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(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)提出了解決措施,。這些抗干擾方法在實(shí)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(yùn)行。
在單片機(jī)系統(tǒng)中,，PCB(印制電路板)是用來支撐電路元件,，并提供電路元件和器件之間電氣連接的重要組件，PCB導(dǎo)線多為銅線,，銅自身的物理特性也導(dǎo)致其在導(dǎo)電過程中必然存在一定的阻抗,，導(dǎo)線中的電感成分會影響電壓信號的傳輸，電阻成分則會影響電流信號的傳輸,，在高頻線路中電感的影響尤為嚴(yán)重,，因此，在PCB設(shè)計中必須注意和消除地線阻抗所帶來的影響,。
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：
PCB地線的干擾與抑制
在實(shí)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,。
PCB地線的干擾與抑制
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?yàn)榈鼐€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(diǎn)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。
PCB地線的干擾與抑制
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,。空間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(diǎn)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(shí)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(diǎn),，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,。
PCB地線的干擾與抑制
4)使用共模扼流圈
地線電壓實(shí)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(shí)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(diǎn)是接地的導(dǎo)線過多。因此在實(shí)際中,，沒有必要所有電路都并聯(lián)單點(diǎn)接地,，對于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點(diǎn)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(diǎn)接地,，如圖4所示,，不同類型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，如圖5所示,。當(dāng)信號頻率低于1 MHz時可采用單點(diǎn)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(diǎn)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,。
如前所述，減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感,?？梢允褂帽馄綄?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(yàn)來選定的，地線干擾也要通過試驗(yàn)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(yàn)過程和經(jīng)驗(yàn)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。