地線干擾的形式分類及信號接地方式

在大多數(shù)電子系統(tǒng)中，降噪是一個重要設計問題。與功耗限制、環(huán)境溫度變化、尺寸限制以及速度和精度要求一樣，必須處理好無所不在的噪聲因素，才能使最終設計獲得成功。

這里，我們不考慮用于降低“外部噪聲”（與信號一起到達系統(tǒng)）的技術，因為其存在一般不受設計工程師直接控制。相比之下，防止“內(nèi)部噪聲”（電路或系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生或耦合的噪聲）擾亂信號則是設計工程師的直接責任。今天我們就說說“接地”，而且是針對高頻工作的“接地"

“接地”(Grounding)一般指將電路、設備或系統(tǒng)連接到一個作為參考電位點或參考電位面的良好導體上，為電路或系統(tǒng)與“地”之間建立一個低阻抗的通道。

地線是作為電路或系統(tǒng)電位基準點的等電位體，是系統(tǒng)中各個電路的公共導體，任何電路的電流都會經(jīng)過地線形成回路。然而，任何導體都存在著一定的阻抗，當?shù)鼐€中有電流通過時，根據(jù)歐姆定律，地線上就會有電壓存在，那么地線就不是一個等電位體。所以在實際設計電路或系統(tǒng)時，關于地線上各點的電位一定相等的假設就不是成立的，實際的情況是底線上各點存在電位差，有的相位差還可能很大。地線的公共阻抗會使各接地點間形成一定的電壓，從而就會產(chǎn)生接地干擾。

如上面所說，地線作為導體，存在一定的阻抗，顧名思義，阻抗也就是由電阻和感抗兩部分組成，即：

導體的阻抗是頻率的函數(shù)，隨著頻率的升高，阻抗增加很快。對于高速數(shù)字電路而言，電路的時鐘頻率是很高的，脈沖信號包涵豐富的高頻成分，因此會在地線上產(chǎn)生較大的電壓，則地線阻抗對數(shù)字電路的干擾十分可觀。

在電子產(chǎn)品的PCB設計中，抑制或防止地線干擾是需要考慮的最主要問題之一。所謂干擾，必然是發(fā)生在不同的單元電路、部件或系統(tǒng)之間，而地線干擾是指通過公用地線的方式產(chǎn)生的信號干擾。注意這里所提到的信號，通常是指交流信號或者跳變信號。地線干擾的形式很多，有人把它歸結成兩類：地線環(huán)路干擾、公共阻抗干擾，其實應該還要加上地線環(huán)路的電磁耦合干擾，因此是三類。下圖可以很好的說明三類地線干擾的成因。

一、地環(huán)路干擾。橫向，每根導線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成影響。具體的說就是“其他電路單元B”的地線電流，在J、N、L、M形成的“地線環(huán)路”中，對放大器A1和A2造成了影響。由于這種干擾是由電纜與地線構成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此成為地環(huán)路干擾。

二、地環(huán)路電磁耦合干擾。在實際電路的PCB上，J、N、L、M形成的“地線環(huán)路”將包圍一定的面積，根據(jù)電磁感應定律，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?？臻g磁場的變化無處不在，于是包圍的面積越大干擾就越嚴重。

三、公共阻抗干擾。認真考察上圖所示的電路結構，我們將發(fā)現(xiàn)，J、N、L、M中，有一條連接是多余的，隨便去除其一，仍然可以滿足各個接地點的連通關系，同時又可以消除地線環(huán)路。那么，將哪一條連線去除比較合理呢？這時就要考慮另一類的干擾問題——公共阻抗干擾。

①去除J：這是最差的方案。J去除后地線環(huán)路似乎消失了，可是另一個更可怕的環(huán)路又形成了（I、N、L、M），其中I是信號線，因此干擾比原來有線J時還要嚴重。

②去除M：環(huán)路消失，但是我們發(fā)現(xiàn)，此時放大器A2的地線電流需要流過J、N到達接地零點，注意N段是A1和A2共同的接地線，因此A2接地電流在N上形成的電壓降就加到了A1上，形成干擾。這種因共用一段地線而形成的干擾稱為“公共阻抗干擾”。

③去除L：不僅不能解決A2與A1之間的公共阻抗干擾問題，還引起了“B單元電路”與A1、A2之間的公共阻抗干擾問題。

④去除N：看來這是最后的方法。其實這樣做將使M成為A1、A2的“公用阻抗”，同樣形成干擾。還是存在問題！但是，我們注意到，此法中的干擾是A1對A2的干擾，A2是后級，工作信號強度遠大于A1，因此A1對A2的干擾，很難造成不良后果。

最合理的走線方案是：去除N，然后將M的下端直接連到“接地信號零點”上。

以上是關于接地干擾產(chǎn)生的原因，下面再介紹的幾種常見的接地方式，結合前面對接地干擾產(chǎn)生原因的了解，有助于我們在實際設計PCB板電路時，正確的選擇干擾最小的接地方式，設計出合理的電路或系統(tǒng)。

信號接地方式可以大體上分為：單點接地、多點接地、混合接地和懸浮接地。

一、單點接地。單點接地就是把真?zhèn)€電路系統(tǒng)中的某一點作為接地的基準點，所有電路及設備的地線都必須接到這一點上，并以該點作為電路、設備的零電位參考點。單點接地又分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。如下圖所示：

圖２.串聯(lián)單點接地

對于串聯(lián)式單點接地方式,如果該電路的功率很大,會產(chǎn)生很大的電路回流,在有限阻抗上會產(chǎn)生一個電壓降,造成電路和基準地之間的電壓參考值的差異可能使系統(tǒng)不能如預期的那樣工作。如存在多種不同功率等級的電路,不能采用串聯(lián)式單點接地方式,因為大功率電路產(chǎn)生大的回地電流,將影響低功率器件和電路。如果說一定要采取這種接地方法,那么最敏感的電路必須直接設置在電源輸入位置處,并且盡量遠離低功率器件和電路。串聯(lián)單點接地方式和結構都比較簡單，如果各個電路的接地引線比較短，其阻抗也會相對小。如果各個電路的接地電平差別不大，可以采用這種接地方式。

并聯(lián)單點接地方式中，每個電路單元獨用地線連接到同意地點，其優(yōu)點是各電路的地點為只與本電路的地電流及地線阻抗有關，不受其他電路的影響。低頻時可有效的避免各電路單元之間的低阻抗干擾，但是也存在很多缺點。主要表現(xiàn)在：首先，各個電路分別采用獨立地線接地，需要多跟地線，勢必增加地線長度，從而增加地阻抗，結構復雜使用麻煩；其次，這種接地方式會造成各地線互相間的耦合，并且隨著頻率增加，地線阻抗、地線電感、電線電容都會增大，這種接地方式不適用高頻電路。

二、多點接地。多點接地是指某一個系統(tǒng)中各個需要接地的電路、設備都直接接到距離它最近的接地平面上，一邊接地長度最短，接地阻抗減到最小。

當電子系統(tǒng)的工作頻率高于1MHz時,以致工作波長與系統(tǒng)接地引線的長度可比擬時,地線就象一根終端短路的傳輸線,地線的電流、電壓呈駐波分布,地線變成了輻射天線,而不能起到地線的作用。為了減少接地阻抗,避免輻射,地線的長度應小于1/20波長,因而單點接地方法是不合理的,通常采用多點接地技術。多點接地電路結構簡單,接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象顯著減少,但多點接地可能會導致設備內(nèi)部形成許多接地環(huán)路,容易對設備內(nèi)部的敏感店里產(chǎn)生地環(huán)路干擾。