PCB地線的干擾與抑制
在PCB設計中,尤其是在高頻電路中,經(jīng)常會遇到由于地線干擾而引起的一些不規(guī)律、不正常的現(xiàn)象。本文對地線產(chǎn)生干擾的原因進行分析,詳細介紹了地線產(chǎn)生干擾的三種類型,并根據(jù)實際應用中的經(jīng)驗提出了解決措施。這些抗干擾方法在實際應用中取得了良好的效果,使一些系統(tǒng)在現(xiàn)場成功運行。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/171932.htm在單片機系統(tǒng)中,PCB(印制電路板)是用來支撐電路元件,并提供電路元件和器件之間電氣連接的重要組件,PCB導線多為銅線,銅自身的物理特性也導致其在導電過程中必然存在一定的阻抗,導線中的電感成分會影響電壓信號的傳輸,電阻成分則會影響電流信號的傳輸,在高頻線路中電感的影響尤為嚴重,因此,在PCB設計中必須注意和消除地線阻抗所帶來的影響。
1 產(chǎn)生干擾的原因
電阻與阻抗兩個不同的概念。電阻指的是在直流狀態(tài)下導線對電流呈現(xiàn)的阻抗,而阻抗指的是交流狀態(tài)下導線對電流的阻抗,這個阻抗主要是由導線的電感引起的。由于地線總是存在阻抗,因此用萬用表測量地線時,地線的電阻一般是mmΩ級。
以PCB上一段長10 cm、寬1.5 mm,厚度為50μm的導線為例,通過計算可得到其阻抗的大小。R=ρL/s(Ω),式中L為導線長度(m),s為導線截面積(mm2),ρ為電阻率ρ=0.02,因此該導線電阻值約為0.026 Ω。
當一段導線與其他導線遠離并且其長度遠大于寬度時,導線的自感量為0.8 μH/m,那么10 cm長的導線的電感量是0.08μH。再由下面的公式求出導線感抗:XL=2πfL,下式中,f為導線通過信號的頻率(Hz),L為單位長度導線的自感量(H)。所以分別計算出該導線在低頻和高頻下的感抗值:
在實際電路中,造成電磁干擾的信號往往是脈沖信號,脈沖信號包含豐富的高頻成分,因此會在地線上產(chǎn)生較大的電壓。通過以上的公式計算可以看出,在低頻信號傳輸中導線電阻大于導線感抗,對于數(shù)字電路,電路的工作頻率很高,在高頻信號中導線感抗要遠大于導線電阻。因此,地線阻抗對數(shù)字電路的影響是十分可觀的。這就是電流流過小電阻時產(chǎn)生大壓降,導致電路工作異常的原因。
2 地線干擾機理
2.1 地環(huán)路干擾
地環(huán)路干擾是一種較常見的干擾現(xiàn)象,常常發(fā)生在通過較長電纜連接并且相距較遠的設備之間。地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗,當電流流過地線時,會在地線上產(chǎn)生電壓,這就是地線噪聲。在這個電壓的驅(qū)動下,會產(chǎn)生地線環(huán)路電流,形成地環(huán)路干擾。如圖1所示是兩個接地的電路。
由于兩個設備的地電位不同,形成地電壓,在這個電壓的驅(qū)動下,“設備1一互聯(lián)電纜一設備2一地”形成的環(huán)路之間有電流流動。由于電路的不平衡性,每根導線上的電流不同,因此會產(chǎn)生差模電壓,對電路造成干擾。
由于地環(huán)路干擾是因地環(huán)路電流而導致的,因此有時會發(fā)現(xiàn),當把一個設備的地線斷開后,干擾現(xiàn)象消失,這是因為地線斷開時切斷了地環(huán)路。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在低頻干擾的場合,當干擾頻率較高時,斷開地線與否關系不大。
2.2 公共阻抗干擾
在數(shù)字電路中,由于信號的頻率較高,地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時,當幾個電路共用一段地線時,由于地線的阻抗,一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調(diào)制,這樣一個電路中的信號會耦合進另一個電路,這種耦合稱為公共阻抗耦合。
解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗,或采用單點接地,徹底消除公共阻抗圖2的例子說明了一種干擾現(xiàn)象。圖2是一個有四個門電路組成的簡單電路。假設門1的輸出電平由高變?yōu)榈?,這時電路中的寄生電容(有時門2的輸入端有濾波電容)會通過門1向地線放電,由于地線的阻抗,放電電流會在地線上產(chǎn)生尖峰電壓,如果這時門3的輸出是低電平,則這個尖峰電壓就會傳到門3的輸出端,門4的輸入端,如果這個尖峰電壓的幅度超過門4的噪聲門限,就會造成門4的誤動作。
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