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图解PCB地线干扰及抑制

  在电子产品的PCB设计中,抑制或防止地线干扰是需要考虑的最主要问题之一。而许多初学者不了解地线干扰的成因,因此对解决地线干扰问题也就束手无策了。

  所谓干扰,必然是发生在不同的单元电路、部件或系统之间,而地线干扰是指通过公用地线的方式产生的信号干扰。注意这里所提到的信号,通常是指交流信号或者跳变信号。地线干扰的形式很多,有人把它归结成两类:地线环路干扰、公共阻抗干扰,应该还要加上地线环路的电磁偶合干扰,因此是三类。下图可以很好的说明三类地线干扰的成因。

  A1、A2是级联的两个放大电路。由于PCB设计的客观原因,各个电路单元在不同的板面位置,它们之间的连线必然有一定的长度,这就形成了导线(铜铂)电阻。导线的直流电阻虽然很小,大多数情况都可以忽略,但是对于交流信号来说,其感抗成分就不可以忽略不记,尤其是频率比较高的时候更是如此。地线同样是导线,因此同样存在阻抗,因此上图中的地线J、K、L、M、N,就不可以简单的看成是等电位连线了,应该把它们各自看成一个电抗元件。有了这个基本概念,就很容易理解三种地线干扰了。

  一、地环路干扰

  如图所示,由于地线阻抗的存在,当电流流过地线时,就会在地线上产生电压。当电流较大时,这个电压可以很大。例如附近有大功率用电器启动时,会在地线在中流过很强的电流。比如上图中的“B单元电路”的地线电流,流经地线K、L、(M、J、N),到达接地零点。由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成影响。具体的说就是“B单元电路”的地线电流,在J、N、L、M形成的“地线环路”中,对放大器A1和A2造成了影响。由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的,因此成为地环路干扰。

  二、地环路电磁耦合干扰

  在实际电路的PCB上,J、N、L、M形成的“地线环路”将包围一定的面积,根据电磁感应定律,如果这个环路所包围的面积中有变化的磁场存在,就会在环路中产生感生电流,形成干扰。空间磁场的变化无处不在,于是包围的面积越大干扰就越严重。

  三、公共阻抗干扰

  认真考察上图所示的电路结构,我们将发现,J、N、L、M中,有一条连接是多余的,随便去除其一,仍然可以满足各个接地点的连通关系,同时又可以消除地线环路。那么,将哪一条连线去除比较合理呢?这时就要考虑另一类的干扰问题——公共阻抗干扰。

  ①去除J:这是最差的方案。J去除后地线环路似乎消失了,可是另一个更可怕的环路又形成了(I、N、L、M),其中I是信号线,因此干扰比原来有线J时还要严重。

  ②去除M:环路消失,但是我们发现,此时放大器A2的地线电流需要流过J、N到达接地零点,注意N段是A1和A2共同的接地线,因此A2接地电流在N上形成的电压降就加到了A1上,形成干扰。这种因共用一段地线而形成的干扰称为“公共阻抗干扰”。

  ③去除L:不仅不能解决A2与A1之间的公共阻抗干扰问题,还引起了“B单元电路”与A1、A2之间的公共阻抗干扰问题。

  ④去除N:看来这是最后的方法。其实这样做将使M成为A1、A2的“公用阻抗”,同样形成干扰。还是存在问题!但是,我们注意到,此法中的干扰是A1对A2的干扰,A2是后级,工作信号强度远大于A1,因此A1对A2的干扰,很难造成不良后果。

  最合理的走线方案是:去除N,然后将M的下端直接连到“接地信号零点”上。

  四、小结

  地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗,当电流流过地线时,会在地线上产生电压,这就是地线噪声。在这个电压的驱动下,会产生地线环路电流,形成地环路干扰。当两个电路共用一段地线时,会形成公共阻抗耦合。解决地环路干扰的方法有切断地环路,增加地环路的阻抗,使用平衡电路等。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗,或采用并联单点接地,彻底消除公共阻抗。

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