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PCB地线的干扰与抑制

发布时间:2020-06-30 21:00:20 阅读: 来源:调速器厂家

在PCB设计中,尤其是在高频电路中,经常会遇到由于地线干扰而引起的一些不规律、不正常的现象。本文对地线产生干扰的原因进行分析,详细介绍了地线产生干扰的三种类型,并根据实际应用中的经验提出了解决措施。这些抗干扰方法在实际应用中取得了良好的效果,使一些系统在现场成功运行。

本文引用地址:在单片机系统中,PCB(印制电路板)是用来支撑电路元件,并提供电路元件和器件之间电气连接的重要组件,PCB导线多为铜线,铜自身的物理特性也导致其在导电过程中必然存在一定的阻抗,导线中的电感成分会影响电压信号的传输,电阻成分则会影响电流信号的传输,在高频线路中电感的影响尤为严重,因此,在PCB设计中必须注意和消除地线阻抗所带来的影响。

1 产生干扰的原因

电阻与阻抗两个不同的概念。电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗,而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗,这个阻抗主要是由导线的电感引起的。由于地线总是存在阻抗,因此用万用表测量地线时,地线的电阻一般是mmΩ级。

以PCB上一段长10 cm、宽1.5 mm,厚度为50μm的导线为例,通过计算可得到其阻抗的大小。R=ρL/s(Ω),式中L为导线长度(m),s为导线截面积(mm2),ρ为电阻率ρ=0.02,因此该导线电阻值约为0.026 Ω。

当一段导线与其他导线远离并且其长度远大于宽度时,导线的自感量为0.8 μH/m,那么10 cm长的导线的电感量是0.08μH。再由下面的公式求出导线感抗:XL=2πfL,下式中,f为导线通过信号的频率(Hz),L为单位长度导线的自感量(H)。所以分别计算出该导线在低频和高频下的感抗值:

在实际电路中,造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号,脉冲信号包含丰富的高频成分,因此会在地线上产生较大的电压。通过以上的公式计算可以看出,在低频信号传输中导线电阻大于导线感抗,对于数字电路,电路的工作频率很高,在高频信号中导线感抗要远大于导线电阻。因此,地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。这就是电流流过小电阻时产生大压降,导致电路工作异常的原因。

2 地线干扰机理

2.1 地环路干扰

地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接并且相距较远的设备之间。地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗,当电流流过地线时,会在地线上产生电压,这就是地线噪声。在这个电压的驱动下,会产生地线环路电流,形成地环路干扰。如图1所示是两个接地的电路。

由于两个设备的地电位不同,形成地电压,在这个电压的驱动下,“设备1一互联电缆一设备2一地”形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成干扰。

由于地环路干扰是因地环路电流而导致的,因此有时会发现,当把一个设备的地线断开后,干扰现象消失,这是因为地线断开时切断了地环路。这种现象经常发生在低频干扰的场合,当干扰频率较高时,断开地线与否关系不大。

2.2 公共阻抗干扰

在数字电路中,由于信号的频率较高,地线往往呈现较大的阻抗。这时,当几个电路共用一段地线时,由于地线的阻抗,一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制,这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路,这种耦合称为公共阻抗耦合。

解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗,或采用单点接地,彻底消除公共阻抗图2的例子说明了一种干扰现象。图2是一个有四个门电路组成的简单电路。假设门1的输出电平由高变为低,这时电路中的寄生电容(有时门2的输入端有滤波电容)会通过门1向地线放电,由于地线的阻抗,放电电流会在地线上产生尖峰电压,如果这时门3的输出是低电平,则这个尖峰电压就会传到门3的输出端,门4的输入端,如果这个尖峰电压的幅度超过门4的噪声门限,就会造成门4的误动作。

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