【電磁兼容】02 信號(hào)接地設(shè)計(jì)
2023/3/8 14:03:51??????點(diǎn)擊：
今天我們來(lái)講一講電路設(shè)計(jì)中的接地問(wèn)題。
在電氣系統(tǒng)中，接地涉及到兩個(gè)概念，一個(gè)是安全接地，一個(gè)是信號(hào)接地；前者一般是在強(qiáng)電設(shè)備中，外殼接地防止人觸電的；后者是電路中信號(hào)的回流路徑。這里我們主要講信號(hào)接地，關(guān)于安全接地的內(nèi)容我們以后再講解。
見(jiàn)下圖，假設(shè)在印制板的頂層有一個(gè)電路，源端發(fā)出信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接負(fù)載，而地平面在印制板的底層，電路通過(guò)過(guò)孔A和B連接到底層的地平面：
信號(hào)的電流I從源端，通過(guò)B到地，從地平面再通過(guò)A到負(fù)載，最后回到源的負(fù)端。電流走過(guò)的路徑是一個(gè)完整的環(huán)路。它本質(zhì)上就是電流流過(guò)的環(huán)形路徑。
回顧一下我們了解的電磁感應(yīng)現(xiàn)象：如果一個(gè)環(huán)形線(xiàn)圈圍成的面積中，有變化的磁場(chǎng)穿過(guò)，那么線(xiàn)圈中會(huì)感應(yīng)出電流。而在周?chē)碾娐饭ぷ鲿r(shí)，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)不可避免，環(huán)路中感應(yīng)出來(lái)的電流是有害的干擾。因此，盡量減少電路的環(huán)路面積，就能減少這部分干擾。
在低頻電路中，如下圖所示，電流會(huì)沿著電阻最小的路徑流動(dòng)：
于是，我們只要在布線(xiàn)時(shí)使得整個(gè)環(huán)路圍成的面積盡量小即可（可以移動(dòng)過(guò)孔的位置，也可以移動(dòng)頂層器件的位置，減小走線(xiàn)長(zhǎng)度）。
而在高頻時(shí)，情況有所不同，如下圖所示，電流會(huì)沿著最小電感的路徑流動(dòng)，是在頂層導(dǎo)線(xiàn)正對(duì)的相鄰層的路徑：
此時(shí)，只要地平面與信號(hào)層相鄰，而且是完整的，就是較小的環(huán)路面積。我們需要做的，就是不要在它電流流經(jīng)的路徑上將地層分?jǐn)?/span>。
下圖是單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的形式：
圖示可以看出，多點(diǎn)接地就是每個(gè)電路單元直接接到地平面上，而單點(diǎn)接地是各電路單元的地先連接到一起，再通過(guò)一點(diǎn)連接到地平面上。那么單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地有什么區(qū)別，各用在什么場(chǎng)合呢？
我們知道，接地線(xiàn)也是一根導(dǎo)線(xiàn)，可以等效成下面的形式：電阻和電感串聯(lián)。
信號(hào)的頻率越高，則電感L產(chǎn)生的感抗也越大，當(dāng)線(xiàn)長(zhǎng)為1/4波長(zhǎng)時(shí)的奇數(shù)倍時(shí)則會(huì)形成更嚴(yán)重的天線(xiàn)效應(yīng)，接地阻抗會(huì)非常高。因此，在這種情況下，要使得電路的地就近接到地平面上（接地線(xiàn)越短等效的L越小），就適合使用多點(diǎn)接地。在信號(hào)頻率高于100kHz時(shí)，或者涉及數(shù)字電路時(shí)，建議電路模塊就近接地，以使得接地的阻抗最小。接地線(xiàn)長(zhǎng)一般要小于1/20波長(zhǎng)。
而在低頻信號(hào)的電路中，為了方便減小地線(xiàn)環(huán)路，則更推薦使用單點(diǎn)接地。當(dāng)然，如果某部分電路的電流很大，在接地電阻R上的壓降也不可忽略時(shí)，最好不要和其他電路公用地線(xiàn)。
當(dāng)電路中既有高頻和低頻時(shí)，可以使用混合接地的方式，如下圖是一種實(shí)現(xiàn)混合接地的方式，低頻電路通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)接地，而高頻電路的信號(hào)可以就近通過(guò)電容耦合到地：
1、2、3三個(gè)電路通過(guò)串聯(lián)形式單點(diǎn)接地，接地線(xiàn)各段的電阻為R1、R2、R3。
此時(shí)A點(diǎn)電位為Va=（I1+I2+I3）*R1，
而C點(diǎn)電位為Vc=Va+（I2+I3）*R2 + I3*R3，
可以看出A和C兩點(diǎn)的電位是不同的，也就是說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)中，各電路實(shí)際接地點(diǎn)的電位是不同的！
也容易看出，電路3的接地點(diǎn)電位，會(huì)受到電路1的影響，也就是說(shuō)，電路的接地點(diǎn)電位是會(huì)受到其他電路影響的！這個(gè)問(wèn)題可以更換接法解決，換成并聯(lián)式的單點(diǎn)接地方法，可以去除其他電路對(duì)本電路的電位影響。
另一個(gè)共阻抗耦合的例子見(jiàn)下圖，容易看出，有一段公共接地線(xiàn)時(shí)，負(fù)載RL1和負(fù)載RL2上的信號(hào)，都不再是單獨(dú)的VS1或VS2，通過(guò)公共接地線(xiàn)的阻抗Zg產(chǎn)生了耦合：
這種耦合需要盡量減少接地阻抗來(lái)解決。
假設(shè)有兩個(gè)相隔較遠(yuǎn)的系統(tǒng)要傳輸信號(hào)，兩個(gè)系統(tǒng)各自就近接地，而且內(nèi)部的電路都不是浮地設(shè)計(jì)，那么大地和系統(tǒng)的信號(hào)線(xiàn)就形成了一個(gè)大環(huán)路。
這個(gè)系統(tǒng)中可能有多種干擾源：兩個(gè)接地點(diǎn)電位不同而產(chǎn)生的電壓差VG，可能隨著周邊電器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)大地中的電流變化而變化；地環(huán)路容易受到外部變化磁場(chǎng)的干擾；在低頻時(shí)信號(hào)會(huì)有多個(gè)返回路徑……
此時(shí)，由于兩個(gè)系統(tǒng)相隔較遠(yuǎn)，減小接地阻抗的方法已經(jīng)不太適用；而如果信號(hào)是高頻信號(hào)，則不能通過(guò)單點(diǎn)接地來(lái)解決。此時(shí)有以下幾種解決方法：
A）采用光耦、變壓器來(lái)隔離傳輸?shù)男盘?hào)，則地線(xiàn)環(huán)路被切斷；
B）采用共模扼流圈串在傳輸路徑上，由于共模扼流圈對(duì)差模信號(hào)無(wú)影響，只隔離共模信號(hào)，可以去除地線(xiàn)環(huán)路產(chǎn)生的共模干擾；
C）采用差分傳輸，接收端只識(shí)別差分信號(hào)，而忽略共模信號(hào)。
好了，本節(jié)的內(nèi)容就講到這里了。
在電氣系統(tǒng)中，接地涉及到兩個(gè)概念，一個(gè)是安全接地，一個(gè)是信號(hào)接地；前者一般是在強(qiáng)電設(shè)備中，外殼接地防止人觸電的；后者是電路中信號(hào)的回流路徑。這里我們主要講信號(hào)接地，關(guān)于安全接地的內(nèi)容我們以后再講解。
1.減少接地環(huán)路面積
見(jiàn)下圖，假設(shè)在印制板的頂層有一個(gè)電路，源端發(fā)出信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接負(fù)載，而地平面在印制板的底層，電路通過(guò)過(guò)孔A和B連接到底層的地平面：
信號(hào)的電流I從源端，通過(guò)B到地，從地平面再通過(guò)A到負(fù)載，最后回到源的負(fù)端。電流走過(guò)的路徑是一個(gè)完整的環(huán)路。它本質(zhì)上就是電流流過(guò)的環(huán)形路徑。
回顧一下我們了解的電磁感應(yīng)現(xiàn)象：如果一個(gè)環(huán)形線(xiàn)圈圍成的面積中，有變化的磁場(chǎng)穿過(guò)，那么線(xiàn)圈中會(huì)感應(yīng)出電流。而在周?chē)碾娐饭ぷ鲿r(shí)，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)不可避免，環(huán)路中感應(yīng)出來(lái)的電流是有害的干擾。因此，盡量減少電路的環(huán)路面積，就能減少這部分干擾。
在低頻電路中，如下圖所示，電流會(huì)沿著電阻最小的路徑流動(dòng)：
于是，我們只要在布線(xiàn)時(shí)使得整個(gè)環(huán)路圍成的面積盡量小即可（可以移動(dòng)過(guò)孔的位置，也可以移動(dòng)頂層器件的位置，減小走線(xiàn)長(zhǎng)度）。
而在高頻時(shí)，情況有所不同，如下圖所示，電流會(huì)沿著最小電感的路徑流動(dòng)，是在頂層導(dǎo)線(xiàn)正對(duì)的相鄰層的路徑：
此時(shí)，只要地平面與信號(hào)層相鄰，而且是完整的，就是較小的環(huán)路面積。我們需要做的，就是不要在它電流流經(jīng)的路徑上將地層分?jǐn)?/span>。
2.單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地
下圖是單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的形式：
圖示可以看出，多點(diǎn)接地就是每個(gè)電路單元直接接到地平面上，而單點(diǎn)接地是各電路單元的地先連接到一起，再通過(guò)一點(diǎn)連接到地平面上。那么單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地有什么區(qū)別，各用在什么場(chǎng)合呢？
我們知道，接地線(xiàn)也是一根導(dǎo)線(xiàn)，可以等效成下面的形式：電阻和電感串聯(lián)。
信號(hào)的頻率越高，則電感L產(chǎn)生的感抗也越大，當(dāng)線(xiàn)長(zhǎng)為1/4波長(zhǎng)時(shí)的奇數(shù)倍時(shí)則會(huì)形成更嚴(yán)重的天線(xiàn)效應(yīng)，接地阻抗會(huì)非常高。因此，在這種情況下，要使得電路的地就近接到地平面上（接地線(xiàn)越短等效的L越小），就適合使用多點(diǎn)接地。在信號(hào)頻率高于100kHz時(shí)，或者涉及數(shù)字電路時(shí)，建議電路模塊就近接地，以使得接地的阻抗最小。接地線(xiàn)長(zhǎng)一般要小于1/20波長(zhǎng)。
而在低頻信號(hào)的電路中，為了方便減小地線(xiàn)環(huán)路，則更推薦使用單點(diǎn)接地。當(dāng)然，如果某部分電路的電流很大，在接地電阻R上的壓降也不可忽略時(shí)，最好不要和其他電路公用地線(xiàn)。
當(dāng)電路中既有高頻和低頻時(shí)，可以使用混合接地的方式，如下圖是一種實(shí)現(xiàn)混合接地的方式，低頻電路通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)接地，而高頻電路的信號(hào)可以就近通過(guò)電容耦合到地：
3.地線(xiàn)上的阻抗耦合
1、2、3三個(gè)電路通過(guò)串聯(lián)形式單點(diǎn)接地，接地線(xiàn)各段的電阻為R1、R2、R3。
此時(shí)A點(diǎn)電位為Va=（I1+I2+I3）*R1，
而C點(diǎn)電位為Vc=Va+（I2+I3）*R2 + I3*R3，
可以看出A和C兩點(diǎn)的電位是不同的，也就是說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)中，各電路實(shí)際接地點(diǎn)的電位是不同的！
也容易看出，電路3的接地點(diǎn)電位，會(huì)受到電路1的影響，也就是說(shuō)，電路的接地點(diǎn)電位是會(huì)受到其他電路影響的！這個(gè)問(wèn)題可以更換接法解決，換成并聯(lián)式的單點(diǎn)接地方法，可以去除其他電路對(duì)本電路的電位影響。
另一個(gè)共阻抗耦合的例子見(jiàn)下圖，容易看出，有一段公共接地線(xiàn)時(shí)，負(fù)載RL1和負(fù)載RL2上的信號(hào)，都不再是單獨(dú)的VS1或VS2，通過(guò)公共接地線(xiàn)的阻抗Zg產(chǎn)生了耦合：
這種耦合需要盡量減少接地阻抗來(lái)解決。
4.減少地線(xiàn)環(huán)路影響
假設(shè)有兩個(gè)相隔較遠(yuǎn)的系統(tǒng)要傳輸信號(hào)，兩個(gè)系統(tǒng)各自就近接地，而且內(nèi)部的電路都不是浮地設(shè)計(jì)，那么大地和系統(tǒng)的信號(hào)線(xiàn)就形成了一個(gè)大環(huán)路。
這個(gè)系統(tǒng)中可能有多種干擾源：兩個(gè)接地點(diǎn)電位不同而產(chǎn)生的電壓差VG，可能隨著周邊電器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)大地中的電流變化而變化；地環(huán)路容易受到外部變化磁場(chǎng)的干擾；在低頻時(shí)信號(hào)會(huì)有多個(gè)返回路徑……
此時(shí)，由于兩個(gè)系統(tǒng)相隔較遠(yuǎn)，減小接地阻抗的方法已經(jīng)不太適用；而如果信號(hào)是高頻信號(hào)，則不能通過(guò)單點(diǎn)接地來(lái)解決。此時(shí)有以下幾種解決方法：
A）采用光耦、變壓器來(lái)隔離傳輸?shù)男盘?hào)，則地線(xiàn)環(huán)路被切斷；
B）采用共模扼流圈串在傳輸路徑上，由于共模扼流圈對(duì)差模信號(hào)無(wú)影響，只隔離共模信號(hào)，可以去除地線(xiàn)環(huán)路產(chǎn)生的共模干擾；
C）采用差分傳輸，接收端只識(shí)別差分信號(hào)，而忽略共模信號(hào)。
好了，本節(jié)的內(nèi)容就講到這里了。
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