如何抑制PCB地线的干扰

在PCB设计中，特别是在高频电路中，经常会遇到由地面干扰引起的一些不规则和异常。本文分析了接地引起的干扰原因，介绍了接地引起的三种干扰，并根据实际应用经验提出了解决方案。这些抗干扰方法在实际应用中取得了良好的效果，使一些系统能够在现场成功运行。

在单芯片系统中，PCB（印刷电路板）是用于支持的重要组件电路元件并提供电路元件和器件之间的电气连接。 PCB线主要是铜线，铜本身的物理特性也会导致它们导电。过程中必须存在一定的阻抗。导线中的电感分量将影响电压信号的传输。电阻分量将影响电流信号的传输。高频电路中电感的影响特别严重。因此，必须在PCB设计中注意。消除接地阻抗的影响。

1、干扰原因

两种不同的电阻和阻抗概念。电阻是指导线对直流状态下的电流的阻抗，阻抗是指导线对交流状态下的电流的阻抗。该阻抗主要由导线的电感引起。由于接地线总是有阻抗，用万用表测量接地线时，接地线的电阻一般为mmΩ。

取长度为10厘米，宽度为1.5毫米的电线。以PCB上50μm的厚度为例，可以通过计算获得阻抗。 R =ρL/s（Ω），其中L是导线长度（m），s是导线横截面积（mm2），ρ是电阻率ρ= 0.02，因此导线电阻约为0.026Ω。/p>

当一根导线远离其他导线并且其长度远大于宽度时，导线的自感为0.8μH/m，导线的电感为10 cm为0.08 μH。然后，通过以下公式获得导线的电感：XL =2πfL。在下面的公式中，f是导线通过信号的频率（Hz），L是每单位长度导线的自感（H）。因此，低频和高频导线的感抗值分别计算：

在实际电路中，引起电磁干扰的信号通常是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的信号高频分量，因此在地面上产生大电压。从上面的公式计算可以看出，线电阻高于低频信号传输中的线电感。对于数字电路，电路的工作频率非常高，并且线电感远大于高频信号中的线电阻。因此，接地阻抗对数字电路的影响是相当大的。这就是当电流流过一个小电阻时发生大电压降的原因，导致电路运行异常。

2、接地干扰机制

2.1接地回路干扰

接地回路干扰是一种相对常见的干扰类型，通常发生在通过长电缆连接且相距很远的设备之间。地线引起的电磁干扰的主要原因是地线的阻抗。当电流流过地线时，在地线上产生电压。这是地线噪音。在此电压的驱动下，会产生接地回路电流，从而导致接地回路干扰。如图1所示，有两个接地电路。

 

图1

由于两个器件的接地电位是不同的是，形成接地电压，并且在该电压的驱动下，电流在由“设备1互连电缆和设备2”形成的环路之间流动。由于电路的不平衡，每根导线上的电流不同，因此产生差模电压，电路受到干扰。

由于接地回路干扰是由接地回路电流引起的，有时会发现，当一个设备的接地断开时，干扰现象消失，因为当地线断开时接地回路被切断。这种现象经常发生在低频干扰的情况下。当干扰频率较高时，断开地线的关系很小。

2.2常见阻抗干扰

在数字电路中，地线往往呈现出较大的阻抗由于信号的高频率。此时，当几个电路共用一条地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位被另一个电路的工作电流调制，使一个电路中的信号耦合到另一个电路。它被称为公共阻抗耦合。

公共阻抗耦合的解决方案是降低公共接地线部分的阻抗，或使用单点接地来完全消除公共阻抗。图2的示例示出了干扰现象。图2是具有四个门的简单电路。假设门1的输出电平从高变为低。此时，电路中的寄生电容（有时是栅极2输入端的滤波电容）将通过栅极1放电到地，放电电流将由地的阻抗引起。在地面上产生尖峰电压。如果此时门3的输出为低，则如果尖峰的幅度超过门4的噪声，则尖峰电压被传输到门3的输出，即栅极4的输入。阈值将是导致门4发生故障。

 

图2

2.3接地回路电磁耦合干扰

图1中所示的“接地回路”将包围某个区域。根据电磁感应定律，如果在该环路所围绕的区域中存在变化的磁场，则在环路中将产生感应电流以形成干扰。 。空间磁场的变化无处不在，所以封闭的面积越大，干扰越严重。

3、种解决地面干扰的方法

3.1解决地面环路干扰

解决接地回路干扰有三个基本思路：一是减小接地线的阻抗，从而降低干扰电压，但这对第二个原因造成的接地回路干扰没有影响。第二种方法是改变接地结构，将一个机箱的地线连接到另一个机箱，并将另一个机箱接地。这是单点接地的概念。第三是增加接地回路的阻抗，从而减小接地回路电流。当阻抗无穷大时，接地回路实际上被切断，即接地回路被消除。因此，提出了以下求解地环路干扰的解决方案。

（1）在一侧浮动设备

如果电路的一侧浮动，则接地环路被切断，因此可以消除接地回路电流。但有两个问题需要注意，一个是出于安全原因，不允许电路浮动。此时，请考虑通过电感器将器件接地。因此，50Hz AC电流装置的接地阻抗很小，而对于较高频率的干扰信号，装置接地阻抗较大，这降低了接地回路电流。但是，这只能减少高频干扰的接地环路干扰。另一个问题是虽然器件是浮动的，但器件和地之间仍然存在寄生电容。该电容在较高频率下提供较低的阻抗，因此无法有效降低高频接地回路电流。

（2）使用变压器

解决地面的最基本方法环路干扰是切断接地回路。这是通过隔离变压器完成的，两个设备之间的信号传输是通过磁场耦合完成的，避免了电气直接连接。此时，地线上的干扰电压出现在变压器的初级和次级之间，而不是在电路的输入端。改善变压器高频隔离的一种方法是在变压器的初级和次级之间放置一个屏蔽层。但是，必须注意隔离变压器屏蔽的接地端必须位于接收电路端。否则，不仅可以提高高频隔离效果，而且可以使高频耦合更加严重。因此，变压器应安装在信号接收装置的一侧。

变压器隔离方法存在一些缺点，不能传输直流电，体积大，成本高。由于变压器的初级和次级之间存在寄生电容，因此高频隔离不是很好。

（3）使用光隔离元件

用光传输信号是一种解决地面循环问题的理想方法。如图3所示，光耦器件的寄生电容约为2 pF，因此可以在非常高的频率下隔离。如果使用光纤，则不存在寄生电容的问题，并且可以获得完美的隔离效果。但是，光纤的使用带来了其他问题，例如：需要更多功率，需要更多外围设备，光线连接的线形和动态范围都达不到模拟信号的要求，以及安装和维护光缆很复杂。使用时要小心。

 

图3

（4）使用共模扼流圈

接地电压实际上是共模电压。在此电压下，流过电缆的电流是共模电流。在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加接地回路的阻抗，使接地回路电流减小一定的接地电压。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容，否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈匝数越大，寄生电容越大，高频隔离效果越差。

（5）平衡电路抑制接地电路干扰

平衡电路定义为两个导体及其连接电路相对于地或其他参考物体具有相同的阻抗。

在高频下很难平衡。实际电路有许多寄生因素，例如寄生电容和电感。这些参数在较高频率的电路阻抗中起很大作用。由于这些寄生参数的不确定性，电路的阻抗也是不确定的，因此难以确保两个导体的阻抗完全相同。因此，在高频时，电路平衡趋于变差，这意味着平衡电路对较高频率的接地回路电流干扰抑制效果较差。

3.2消除公共阻抗耦合

有两种方法可以消除公共阻抗耦合。一种是降低公共地线的阻抗，使公共地线上的电压也降低，从而控制公共阻抗耦合。另一种方法是避免电路的共同接地，这种接地容易通过适当的接地方法相互干扰。通常，避免强电电路和弱电电路的接地电路，数字电路和模拟电路共用地线。并联接地的缺点是有太多的电线接地。因此，实际上，并非所有电路都必须在一个点上并联接地。对于相互干扰较小的电路，可以使用串联单点接地。例如，可以根据强信号，弱信号，模拟信号，数字信号等对电路进行分类，然后在同一类型电路中与单点串联接地，如图4所示，不同类型的电路与单个点并联连接，如图5所示。如图所示。当信号频率低于1 MHz时，可以使用单点接地方法，使其不形成环路。当信号频率高于10 MHz时，最好使用多点接地来最小化接地阻抗。电源线和地线应尽可能靠近走线，以减小环路面积，从而减少环路切割引起的外场磁场干扰，同时减少环路的外部电磁辐射。

如前所述，降低接地阻抗的核心问题是降低接地电感。您可以使用扁平导体作为接地线，或使用多个相距很远的平行导体来制作接地线。对于PCB，双层板上的接地网可以有效地降低接地阻抗。在多层板中，可以使用一层作为地线来降低阻抗。

4、结论

抗干扰设计是单一设计的重要组成部分-chip系统，其设计往往决定整个系统的成败。关于接地，详细讨论了许多关于电磁兼容性的专着，但应通过实验选择最佳接地方法，并通过实验找到并消除接地干扰。本文介绍了地面干扰的原因和解决方案，并说明了接地设计的一般方法和原理。只有在理论的指导下，经过大量的实验过程和经验积累，才能更好地把握接地系统的设计方法。并采用干扰消除方式，以便更好地提高电路工作的可靠性。