PCB中防止共阻抗干扰的地线设计

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1.电子电路中,多数元器件都要通过地线形成回路,尽可能降低由于地线设计不合理产生对信号传输的干扰。

2.在阅读电路图和理解电路工作状态时,常把地线和各个接地点之间视作无电位差的零电位点。而在实际电路中,由于地线的阻抗(电阻,电感)的存在,会产生一定的电位差。这些电位差的存在,必然对电路的工作带来影响。在PCB设计中必须注意和消除地线阻抗的影响。

地线对电路产生干扰的形式

1.1 全电流共阻抗干扰

在频率升高时,导线的感抗将比导线本身的电阻要大几个数量级。即使导线中流过很小的高频电流,如为10MA,但是在导线上将产生0.16V的高频电压。因而对于高频电路,在制作PCB时,印制导线要尽可能的短,以减少导线感抗对电路带来的损耗与干扰。

1.2 局部电流共阻抗干扰

当印制板采用环形地线,各接地原件按就近分散接地。这样末级的交流信号一部分通过地线AD形成回路,在导线AD上产生交流压降。由于前级的晶体管发射级和基级与末级公用导线BC,在导线BC上产生共阻抗干扰。这种干扰是以局部电流的形式在公共地线上产生耦合,形成局部电流共阻抗干扰。

全电流公祖康干扰主要存在级与级之间。局部电流共阻抗干扰则是指部分和个别原件与导线的接地点不良而对其他电路引起的干扰。

1.3 地线干扰对策

1.3.1 地环路干扰的解决方案

地环路对策从地环路干扰的机理可知,只要减小地环路中的电流就能减小地环路干扰。如果能彻底消除地环路中的电流,则可以彻底解决地环路干扰的问题,因此提出以下几种解决地环路干扰的方案

a.将一端的设备浮地如果将一端电路浮地,就切断了地环路,因此可以消除地短路电流。但是有两个问题需要注意,一个是出于安全的考虑,往往不允许电路浮地。这时可以考虑将设备通过一个电感接地。这样对于50HZ的交流电流设备接地阻抗很小,而对于频率较高的干扰信号,设备接地阻抗较大,减小了地环路电流。但这样做只能减小高频干扰的地环路干扰。另一个问题是,尽管设备浮地,但是设备与地之间还是有寄生电容,这个电容在频率较高时会提供较低的阻抗,因此并不能有效地降低高频地环路电流。

b.使用变压器实现设备之间的连接利用磁路将两个设备连接起来,可以切断地环路电流。但要注意,变压器初次级之间的寄生电容仍然能够为频率较高的地环路电流提供通路,因此变压器隔离的方法对高频地环路电流的抑制效果较差。提高变压器高频隔离效果的一个办法是在变压器的初次级之间设置屏蔽层。但是一定要注意隔离变压器屏蔽层的接地端必须在接收电路一侧。否则,不仅不能改善高频隔离效果,还可能使高频耦合更加严重。因此,变压器要安装在信号接收设备的一侧。经过良好屏蔽的变压器可以在1MHZ以下的频率提供有效的隔离。

c.使用光隔离器另一个切断地环路的方法是用光实现信号的传输。这可以说是解决地环路干扰问题的最理想方法。用光连接有两种方法,一种是光耦器件,另一种是用光纤连接。光耦的寄生电容一般为2pf,能够在很高的频率提供良好的隔离。光纤几乎没有寄生电容,但安装维护成本等方面都不如光耦器件。

d.使用共模扼流圈在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗,这样在一定的地线电压作用下,地环路电流会减小。但是要注意共模扼流圈的寄生电容,否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈的匝数越多,则寄生电容越大,高频隔离的效果越差。

3.2 消除公共阻抗耦合

a.减小公共地线部分的阻抗,这样公共地线上的电压也随之减小,从而控制公共阻抗耦合

b.通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路公用地线,一般要避免强电电路和弱点电路共用地线,数字和模拟电路公用地线。

减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感,这包括使用扁平导体做地线,用多条相距较远的并联道题作接地线。对于印刷线路板,在双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗,在多层板中专门用一层做地线虽然具有很小的阻抗,但这会增加线路板的成本。通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地。并联单点接地的缺点是接地的导线过多。因此在实际中,没有必要所有电路都并联单点接地,对于相互干扰较少的电路,可以采用串联单点接地。例如,可以将电路按照强信号,弱信号,模拟信号,数字信号等分类,然后在同类电路内部用串联单点接地,不同类型的电路采用并联单点接地。

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