PCB布線(xiàn)中的地線(xiàn)干擾分析與抑制方法

1．地線(xiàn)的定義

什么是地線(xiàn)？大家在教科書(shū)上學(xué)的地線(xiàn)定義是：地線(xiàn)是作為電路電位基準點(diǎn)的等電位體。這個(gè)定義是不符合實(shí)際情況的。實(shí)際地線(xiàn)上的電位并不是恒定的。如果用儀表測量一下地線(xiàn)上各點(diǎn)之間的電位，會(huì )發(fā)現地線(xiàn)上各點(diǎn)的電位可能相差很大。正是這些電位差才造成了電路工作的異常。電路是一個(gè)等電位體的定義僅是人們對地線(xiàn)電位的期望。HENRY 給地線(xiàn)了一個(gè)更加符合實(shí)際的定義，他將地線(xiàn)定義為：信號流回源的低阻抗路徑。這個(gè)定義中突出了地線(xiàn)中電流的流動(dòng)。按照這個(gè)定義，很容易理解地線(xiàn)中電位差的產(chǎn)生原因。因為地線(xiàn)的阻抗總不會(huì )是零，當一個(gè)電流通過(guò)有限阻抗時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生電壓降。因此，我們應該將地線(xiàn)上的電位想象成象大海中的波浪一樣，此起彼伏。

2．地線(xiàn)的阻抗

談到地線(xiàn)的阻抗引起的地線(xiàn)上各點(diǎn)之間的電位差能夠造成電路的誤動(dòng)作，許多人覺(jué)得不可思議：我們用歐姆表測量地線(xiàn)的電阻時(shí)，地線(xiàn)的電阻往往在毫歐姆級，電流流過(guò)這么小的電阻時(shí)怎么會(huì )產(chǎn)生這么大的電壓降，導致電路工作的異常。要搞清這個(gè)問(wèn)題，首先要區分開(kāi)導線(xiàn)的電阻與阻抗兩個(gè)不同的概念。電阻指的是在直流狀態(tài)下導線(xiàn)對電流呈現的阻抗，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導線(xiàn)對電流的阻抗，這個(gè)阻抗主要是由導線(xiàn)的電感引起的。任何導線(xiàn)都有電感，當頻率較高時(shí)，導線(xiàn)的阻抗遠大于直流電阻，表1 給出的數據說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。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(huì )在地線(xiàn)上產(chǎn)生較大的電壓。對于數字電路而言，電路的工作頻率是很高的，因此地線(xiàn)阻抗對數字電路的影響是十分可觀(guān)的。

表1 導線(xiàn)的阻抗（Ω）：

頻率

Hz D = 0.65

10cm 1m D = 0.27

10cm 1m D = 0.065

10cm 1m D = 0.04

10cm 1m 10 51.4m 517m 327m 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429m 7.14m 632m 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m 100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07 1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6 5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53 10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106 50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530 100M 42.6 54 71.4 77 150M 63.9 81 107 115

如果將10Hz時(shí)的阻抗近似認為是直流電阻，可以看出當頻率達到10MHz 時(shí)，對于1米長(cháng)導線(xiàn)，它的阻抗是直流電阻的1000 倍至10萬(wàn)倍。因此對于射頻電流，當電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，電壓降是很大的。從表上還可以看出，增加導線(xiàn)的直徑對于減小直流電阻是十分有效的，但對于減小交流阻抗的作用很有限。但在電磁兼容中，人們zui關(guān)心的交流阻抗。為了減小交流阻抗，一個(gè)有效的辦法是多根導線(xiàn)并聯(lián)。當兩根導線(xiàn)并聯(lián)時(shí)，其總電感L為：

L = ( L1 + M ) / 2

式中，L1 是單根導線(xiàn)的電感，M是兩根導線(xiàn)之間的互感。從式中可以看出，當兩根導線(xiàn)相距較遠時(shí)，它們之間的互感很小，總電感相當于單根導線(xiàn)電感的一半。因此我們可以通過(guò)多條接地線(xiàn)來(lái)減小接地阻抗。但要注意的是，多根導線(xiàn)之間的距離不能過(guò)近。

3．地線(xiàn)干擾機理

3.1地環(huán)路干擾

圖1是兩個(gè)接地的電路。由于地線(xiàn)阻抗的存在，當電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，就會(huì )在地線(xiàn)上產(chǎn)生電壓。當電流較大時(shí)，這個(gè)電壓可以很大。例如附近有大功率用電器啟動(dòng)時(shí)，會(huì )在地線(xiàn)在中流過(guò)很強的電流。這個(gè)電流會(huì )在兩個(gè)設備的連接電纜上產(chǎn)生電流。由于電路的不平衡性，每根導線(xiàn)上的電流不同，因此會(huì )產(chǎn)生差模電壓，對電路造成影響。由于這種干擾是由電纜與地線(xiàn)構成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此成為地環(huán)路干擾。地環(huán)路中的電流還可以由外界電磁場(chǎng)感應出來(lái)。

3.2公共阻抗干擾

當兩個(gè)電路共用一段地線(xiàn)時(shí)，由于地線(xiàn)的阻抗，一個(gè)電路的地電位會(huì )受另一個(gè)電路工作電流的調制。這樣一個(gè)電路中的信號會(huì )耦合進(jìn)另一個(gè)電路，這種耦合稱(chēng)為公共阻抗耦合。

在數字電路中，由于信號的頻率較高，地線(xiàn)往往呈現較大的阻抗。這時(shí)，如果存在不同的電路共用一段地線(xiàn)，就可能出現公共阻抗耦合的問(wèn)題。圖3 的例子說(shuō)明了一種干擾現象。圖3 是一個(gè)有四個(gè)門(mén)電路組成的簡(jiǎn)單電路。假設門(mén)1的輸出電平由高變?yōu)榈?，這時(shí)電路中的寄生電容（有時(shí)門(mén)2 的輸入端有濾波電容）會(huì )通過(guò)門(mén)1向地線(xiàn)放電，由于地線(xiàn)的阻抗，放電電流會(huì )在地線(xiàn)上產(chǎn)生尖峰電壓，如果這時(shí)門(mén)3 的輸出是低電平，則這個(gè)尖峰電壓就會(huì )傳到門(mén)3的輸出端，門(mén)4的輸入端，如果這個(gè)尖峰電壓的幅度超過(guò)門(mén)4 的噪聲門(mén)限，就會(huì )造成門(mén)4的誤動(dòng)作。

4．地線(xiàn)干擾對策

4.1地環(huán)路對策從地環(huán)路干擾的機理可知，只要減小地環(huán)路中的電流就能減小地環(huán)路干擾。如果能徹底消除地環(huán)路中的電流，則可以徹底解決地環(huán)路干擾的問(wèn)題。因此我們提出以下幾種解決地環(huán)路干擾的方案。

A. 將一端的設備浮地如果將一端電路浮地，就切斷了地環(huán)路，因此可以消除地環(huán)路電流。但有兩個(gè)問(wèn)題需要注意，一個(gè)是出于安 全的考慮，往往不允許電路浮地。這時(shí)可以考慮將設備通過(guò)一個(gè)電感接地。這樣對于50Hz的交流電流設備接地阻抗很小，而對于頻率較高的干擾信號，設備接地阻抗較大，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(gè)問(wèn)題是，盡管設備浮地，但設備與地之間還是有寄生電容，這個(gè)電容在頻率較高時(shí)會(huì )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。

B. 使用變壓器實(shí)現設備之間的連接利用磁路將兩個(gè)設備連接起來(lái)，可以切斷地環(huán)路電流。但要注意，變壓器初次級之間的寄生電容仍然能夠為頻率較高的地環(huán)路電流提供通路，因此變壓器隔離的方法對高頻地環(huán)路電流的抑制效果較差。提高變壓器高頻隔離效果的一個(gè)辦法是在變壓器的初次級之間設置屏蔽層。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重。因此，變壓器要安裝在信號接收設備的一側。經(jīng)過(guò)良好屏蔽的變壓器可以在1MHz以下的頻率提供有效的隔離。

C. 使用光隔離器另一個(gè)切斷地環(huán)路的方法是用光實(shí)現信號的傳輸。這可以說(shuō)是解決地環(huán)路干擾問(wèn)題的zui理想方法。用光連接有兩種方法，一種是光耦器件，另一種是用光纖連接。光耦的寄生電容一般為2pf，能夠在很高的頻率提供良好的隔離。光纖幾乎沒(méi)有寄生電容，但安裝、維護、成本等方面都不如光耦器件。

D. 使用共模扼流圈在連接電纜上使用共模扼流圈相當于增加了地環(huán)路的阻抗，這樣在一定的地線(xiàn)電壓作用下，地環(huán)路電流會(huì )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。共模扼流圈的匝數越多，則寄生電容越大，高頻隔離的效果越差。

4.2消除公共阻抗耦合

消除公共阻抗耦合的途徑有兩個(gè)，一個(gè)是減小公共地線(xiàn)部分的阻抗，這樣公共地線(xiàn)上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個(gè)方法是通過(guò)適當的接地方式避免容易相互干擾的電路共用地線(xiàn)，一般要避免強電電路和弱電電路共用地線(xiàn)，數字電路和模擬電路共用地線(xiàn)。如前所述，減小地線(xiàn)阻抗的核心問(wèn)題是減小地線(xiàn)的電感。這包括使用扁平導體做地線(xiàn)，用多條相距較遠的并聯(lián)導體作接地線(xiàn)。對于印刷線(xiàn)路板，在雙層板上布地線(xiàn)網(wǎng)格能夠有效地減小地線(xiàn)阻抗，在多層板中專(zhuān)門(mén)用一層做地線(xiàn)雖然具有很小的阻抗，但這會(huì )增加線(xiàn)路板的成本。通過(guò)適當接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點(diǎn)接地，如圖4 所示。并聯(lián)接地的缺點(diǎn)是接地的導線(xiàn)過(guò)多。因此在實(shí)際中，沒(méi)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，可以將電路按照強信號，弱信號，模擬信號，數字信號等分類(lèi)，然后在同類(lèi)電路內部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類(lèi)型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。

5．小結

地線(xiàn)造成電磁干擾的主要原因是地線(xiàn)存在阻抗，當電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，會(huì )在地線(xiàn)上產(chǎn)生電壓，這就是地線(xiàn)噪聲。在這個(gè)電壓的驅動(dòng)下，會(huì )產(chǎn)生地線(xiàn)環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當兩個(gè)電路共用一段地線(xiàn)時(shí)，會(huì )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(xiàn)部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗。