圖解PCB地線幹擾及抑制(zhì)

        在電(diàn)子産品的PCB設計(jì)中，抑制(zhì)或防止地線幹擾是需要考慮的最主要問題之一。而許多(duō)初學者不了解地線幹擾的成因，因此對解決地線幹擾問題也就束手無策了。 

    所謂幹擾，必然是發生(shēng)在不同的單元電(diàn)路、部件或系統之間(jiān)，而地線幹擾是指通(tōng)過公用地線的方式産生(shēng)的信号幹擾。注意這裏所提到的信号，通(tōng)常是指交流信号或者跳(tiào)變信号。地線幹擾的形式很(hěn)多(duō)，有(yǒu)人(rén)把它歸結成兩類：地線環路幹擾、公共阻抗幹擾，我認為(wèi)應該還(hái)要加上(shàng)地線環路的電(diàn)磁偶合幹擾，因此是三類。下圖可(kě)以很(hěn)好的說明(míng)三類地線幹擾的成因。 

A1、A2是級聯的兩個(gè)放大(dà)電(diàn)路。由于PCB設計(jì)的客觀原因，各個(gè)電(diàn)路單元在不同的闆面位置，它們之間(jiān)的連線必然有(yǒu)一定的長度，這就形成了導線(銅鉑)電(diàn)阻。導線的直流電(diàn)阻雖然很(hěn)小(xiǎo)，大(dà)多(duō)數(shù)情況都可(kě)以忽略，但(dàn)是對于交流信号來(lái)說，其感抗成分就不可(kě)以忽略不記，尤其是頻率比較高(gāo)的時(shí)候更是如此。地線同樣是導線，因此同樣存在阻抗，因此上(shàng)圖中的地線J、K、L、M、N，就不可(kě)以簡單的看成是等電(diàn)位連線了，應該把它們各自看成一個(gè)電(diàn)抗元件。有(yǒu)了這個(gè)基本概念，就很(hěn)容易理(lǐ)解三種地線幹擾了。 

    一、地環路幹擾 
    如圖所示，由于地線阻抗的存在，當電(diàn)流流過地線時(shí)，就會(huì)在地線上(shàng)産生(shēng)電(diàn)壓。當電(diàn)流較大(dà)時(shí)，這個(gè)電(diàn)壓可(kě)以很(hěn)大(dà)。例如附近有(yǒu)大(dà)功率用電(diàn)器(qì)啓動時(shí)，會(huì)在地線在中流過很(hěn)強的電(diàn)流。比如上(shàng)圖中的“B單元電(diàn)路”的地線電(diàn)流，流經地線K、L、(M、J、N)，到達接地零點。由于電(diàn)路的不平衡性，每根導線上(shàng)的電(diàn)流不同，因此會(huì)産生(shēng)差模電(diàn)壓，對電(diàn)路造成影(yǐng)響。具體(tǐ)的說就是“B單元電(diàn)路”的地線電(diàn)流，在J、N、L、M形成的“地線環路”中，對放大(dà)器(qì)A1和(hé)A2造成了影(yǐng)響。由于這種幹擾是由電(diàn)纜與地線構成的環路電(diàn)流産生(shēng)的，因此成為(wèi)地環路幹擾 

    二、地環路電(diàn)磁耦合幹擾 
    在實際電(diàn)路的PCB上(shàng)，J、N、L、M形成的“地線環路”将包圍一定的面積，根據電(diàn)磁感應定律，如果這個(gè)環路所包圍的面積中有(yǒu)變化的磁場(chǎng)存在，就會(huì)在環路中産生(shēng)感生(shēng)電(diàn)流，形成幹擾。空(kōng)間(jiān)磁場(chǎng)的變化無處不在，于是包圍的面積越大(dà)幹擾就越嚴重。 

    三、公共阻抗幹擾 
    認真考察上(shàng)圖所示的電(diàn)路結構，我們将發現，J、N、L、M中，有(yǒu)一條連接是多(duō)餘的，随便去除其一，仍然可(kě)以滿足各個(gè)接地點的連通(tōng)關系，同時(shí)又可(kě)以消除地線環路。那(nà)麽，将哪一條連線去除比較合理(lǐ)呢?這時(shí)就要考慮另一類的幹擾問題——公共阻抗幹擾。 
    ①去除J：這是最差的方案。J去除後地線環路似乎消失了，可(kě)是另一個(gè)更可(kě)怕的環路又形成了(I、N、L、M)，其中I是信号線，因此幹擾比原來(lái)有(yǒu)線J時(shí)還(hái)要嚴重。 
    ②去除M：環路消失，但(dàn)是我們發現，此時(shí)放大(dà)器(qì)A2的地線電(diàn)流需要流過J、N到達接地零點，注意N段是A1和(hé)A2共同的接地線，因此A2接地電(diàn)流在N上(shàng)形成的電(diàn)壓降就加到了A1上(shàng)，形成幹擾。這種因共用一段地線而形成的幹擾稱為(wèi)“公共阻抗幹擾”。 
    ③去除L：不僅不能解決A2與A1之間(jiān)的公共阻抗幹擾問題，還(hái)引起了“B單元電(diàn)路”與A1、A2之間(jiān)的公共阻抗幹擾問題。 
    ④去除N：看來(lái)這是最後的方法。其實這樣做(zuò)将使M成為(wèi)A1、A2的“公用阻抗”，同樣形成幹擾。還(hái)是存在問題!但(dàn)是，我們注意到，此法中的幹擾是A1對A2的幹擾，A2是後級，工作(zuò)信号強度遠大(dà)于A1，因此A1對A2的幹擾，很(hěn)難造成不良後果。 
    最合理(lǐ)的走線方案是：去除N，然後将M的下端直接連到“接地信号零點”上(shàng)。 

    四、小(xiǎo)結 
    地線造成電(diàn)磁幹擾的主要原因是地線存在阻抗，當電(diàn)流流過地線時(shí)，會(huì)在地線上(shàng)産生(shēng)電(diàn)壓，這就是地線噪聲。在這個(gè)電(diàn)壓的驅動下，會(huì)産生(shēng)地線環路電(diàn)流，形成地環路幹擾。當兩個(gè)電(diàn)路共用一段地線時(shí)，會(huì)形成公共阻抗耦合。解決地環路幹擾的方法有(yǒu)切斷地環路，增加地環路的阻抗，使用平衡電(diàn)路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小(xiǎo)公共地線部分的阻抗，或采用并聯單點接地，徹底消除公共阻抗。