在电子产品的PCB设计中,抑制或防止地线干扰是考虑的最重要问题之一。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。
所谓干扰,必然是发生在不同的单元电路、部件或系统之间。地线干扰是指通过地线耦合的方式产生的信号干扰。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,笔者归成三种:附图可以说明三种地线干扰的成因。
A1、A2是级联的两个放大电路。由于PCB设计的客观原因,各个电路单元分布在不同的板面位置,它们之间的连线必然有一定的长度,这就形成了导线(铜箔)电阻。导线的直流电阻虽然很小,大都可以忽略,但是对于交流信号来说,其感抗成分就不可以忽略不计,尤其是频率比较高的时候更是如此。地线同样是导线,因此也存在阻抗。附图中的地线J、K、L、M、N就不可以简单地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,就比较容易理解三种地线的干扰。
一、地环路干扰
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,这个电压可以很高。例如附近如有大功率用电器启动时,会在地线中流过很强的电流。比如图中“B单元电路”的地线电流,流经地线K、L,或者K、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,即“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中,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
认真考察图中所示的电路结构,将发现,J、N、L、M中,有一条连接线是多余的,去除其中之一,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。将哪一条连线去除比较合理,这时就要考虑另一类的干扰问题——公共阻抗干扰。
若去除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J线时还要严重。
若去除M:环路消失,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,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”。
若去除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。
看来最后的方法是去除N。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是切断地环路,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,以彻底消除公共阻抗。
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