【電磁兼容】02 信號接地設計
2023/3/8 14:03:51??????點擊：
今天我們來講一講電路設計中的接地問題。
在電氣系統(tǒng)中，接地涉及到兩個概念，一個是安全接地，一個是信號接地；前者一般是在強電設備中，外殼接地防止人觸電的；后者是電路中信號的回流路徑。這里我們主要講信號接地，關于安全接地的內容我們以后再講解。
見下圖，假設在印制板的頂層有一個電路，源端發(fā)出信號，通過導線連接負載，而地平面在印制板的底層，電路通過過孔A和B連接到底層的地平面：
信號的電流I從源端，通過B到地，從地平面再通過A到負載，最后回到源的負端。電流走過的路徑是一個完整的環(huán)路。它本質上就是電流流過的環(huán)形路徑。
回顧一下我們了解的電磁感應現(xiàn)象：如果一個環(huán)形線圈圍成的面積中，有變化的磁場穿過，那么線圈中會感應出電流。而在周圍的電路工作時，變化的電場和磁場不可避免，環(huán)路中感應出來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，電流會沿著電阻最小的路徑流動：
于是，我們只要在布線時使得整個環(huán)路圍成的面積盡量小即可（可以移動過孔的位置，也可以移動頂層器件的位置，減小走線長度）。
而在高頻時，情況有所不同，如下圖所示，電流會沿著最小電感的路徑流動，是在頂層導線正對的相鄰層的路徑：
此時，只要地平面與信號層相鄰，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的路徑上將地層分斷。
下圖是單點接地和多點接地的形式：
圖示可以看出，多點接地就是每個電路單元直接接到地平面上，而單點接地是各電路單元的地先連接到一起，再通過一點連接到地平面上。那么單點接地和多點接地有什么區(qū)別，各用在什么場合呢？
我們知道，接地線也是一根導線，可以等效成下面的形式：電阻和電感串聯(lián)。
信號的頻率越高，則電感L產生的感抗也越大，當線長為1/4波長時的奇數(shù)倍時則會形成更嚴重的天線效應，接地阻抗會非常高。因此，在這種情況下，要使得電路的地就近接到地平面上（接地線越短等效的L越?。?，就適合使用多點接地。在信號頻率高于100kHz時，或者涉及數(shù)字電路時，建議電路模塊就近接地，以使得接地的阻抗最小。接地線長一般要小于1/20波長。
而在低頻信號的電路中，為了方便減小地線環(huán)路，則更推薦使用單點接地。當然，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，最好不要和其他電路公用地線。
當電路中既有高頻和低頻時，可以使用混合接地的方式，如下圖是一種實現(xiàn)混合接地的方式，低頻電路通過導線接地，而高頻電路的信號可以就近通過電容耦合到地：
1、2、3三個電路通過串聯(lián)形式單點接地，接地線各段的電阻為R1、R2、R3。
此時A點電位為Va=（I1+I2+I3）*R1，
而C點電位為Vc=Va+（I2+I3）*R2 + I3*R3，
可以看出A和C兩點的電位是不同的，也就是說這個系統(tǒng)中，各電路實際接地點的電位是不同的！
也容易看出，電路3的接地點電位，會受到電路1的影響，也就是說，電路的接地點電位是會受到其他電路影響的！這個問題可以更換接法解決，換成并聯(lián)式的單點接地方法，可以去除其他電路對本電路的電位影響。
另一個共阻抗耦合的例子見下圖，容易看出，有一段公共接地線時，負載RL1和負載RL2上的信號，都不再是單獨的VS1或VS2，通過公共接地線的阻抗Zg產生了耦合：
這種耦合需要盡量減少接地阻抗來解決。
假設有兩個相隔較遠的系統(tǒng)要傳輸信號，兩個系統(tǒng)各自就近接地，而且內部的電路都不是浮地設計，那么大地和系統(tǒng)的信號線就形成了一個大環(huán)路。
這個系統(tǒng)中可能有多種干擾源：兩個接地點電位不同而產生的電壓差VG，可能隨著周邊電器運轉時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的干擾；在低頻時信號會有多個返回路徑……
此時，由于兩個系統(tǒng)相隔較遠，減小接地阻抗的方法已經不太適用；而如果信號是高頻信號，則不能通過單點接地來解決。此時有以下幾種解決方法：
A）采用光耦、變壓器來隔離傳輸?shù)男盘枺瑒t地線環(huán)路被切斷；
B）采用共模扼流圈串在傳輸路徑上，由于共模扼流圈對差模信號無影響，只隔離共模信號，可以去除地線環(huán)路產生的共模干擾；
C）采用差分傳輸，接收端只識別差分信號，而忽略共模信號。
好了，本節(jié)的內容就講到這里了。
在電氣系統(tǒng)中，接地涉及到兩個概念，一個是安全接地，一個是信號接地；前者一般是在強電設備中，外殼接地防止人觸電的；后者是電路中信號的回流路徑。這里我們主要講信號接地，關于安全接地的內容我們以后再講解。
1.減少接地環(huán)路面積
見下圖，假設在印制板的頂層有一個電路，源端發(fā)出信號，通過導線連接負載，而地平面在印制板的底層，電路通過過孔A和B連接到底層的地平面：
信號的電流I從源端，通過B到地，從地平面再通過A到負載，最后回到源的負端。電流走過的路徑是一個完整的環(huán)路。它本質上就是電流流過的環(huán)形路徑。
回顧一下我們了解的電磁感應現(xiàn)象：如果一個環(huán)形線圈圍成的面積中，有變化的磁場穿過，那么線圈中會感應出電流。而在周圍的電路工作時，變化的電場和磁場不可避免，環(huán)路中感應出來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，電流會沿著電阻最小的路徑流動：
于是，我們只要在布線時使得整個環(huán)路圍成的面積盡量小即可（可以移動過孔的位置，也可以移動頂層器件的位置，減小走線長度）。
而在高頻時，情況有所不同，如下圖所示，電流會沿著最小電感的路徑流動，是在頂層導線正對的相鄰層的路徑：
此時，只要地平面與信號層相鄰，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的路徑上將地層分斷。
2.單點接地和多點接地
下圖是單點接地和多點接地的形式：
圖示可以看出，多點接地就是每個電路單元直接接到地平面上，而單點接地是各電路單元的地先連接到一起，再通過一點連接到地平面上。那么單點接地和多點接地有什么區(qū)別，各用在什么場合呢？
我們知道，接地線也是一根導線，可以等效成下面的形式：電阻和電感串聯(lián)。
信號的頻率越高，則電感L產生的感抗也越大，當線長為1/4波長時的奇數(shù)倍時則會形成更嚴重的天線效應，接地阻抗會非常高。因此，在這種情況下，要使得電路的地就近接到地平面上（接地線越短等效的L越?。?，就適合使用多點接地。在信號頻率高于100kHz時，或者涉及數(shù)字電路時，建議電路模塊就近接地，以使得接地的阻抗最小。接地線長一般要小于1/20波長。
而在低頻信號的電路中，為了方便減小地線環(huán)路，則更推薦使用單點接地。當然，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，最好不要和其他電路公用地線。
當電路中既有高頻和低頻時，可以使用混合接地的方式，如下圖是一種實現(xiàn)混合接地的方式，低頻電路通過導線接地，而高頻電路的信號可以就近通過電容耦合到地：
3.地線上的阻抗耦合
1、2、3三個電路通過串聯(lián)形式單點接地，接地線各段的電阻為R1、R2、R3。
此時A點電位為Va=（I1+I2+I3）*R1，
而C點電位為Vc=Va+（I2+I3）*R2 + I3*R3，
可以看出A和C兩點的電位是不同的，也就是說這個系統(tǒng)中，各電路實際接地點的電位是不同的！
也容易看出，電路3的接地點電位，會受到電路1的影響，也就是說，電路的接地點電位是會受到其他電路影響的！這個問題可以更換接法解決，換成并聯(lián)式的單點接地方法，可以去除其他電路對本電路的電位影響。
另一個共阻抗耦合的例子見下圖，容易看出，有一段公共接地線時，負載RL1和負載RL2上的信號，都不再是單獨的VS1或VS2，通過公共接地線的阻抗Zg產生了耦合：
這種耦合需要盡量減少接地阻抗來解決。
4.減少地線環(huán)路影響
假設有兩個相隔較遠的系統(tǒng)要傳輸信號，兩個系統(tǒng)各自就近接地，而且內部的電路都不是浮地設計，那么大地和系統(tǒng)的信號線就形成了一個大環(huán)路。
這個系統(tǒng)中可能有多種干擾源：兩個接地點電位不同而產生的電壓差VG，可能隨著周邊電器運轉時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的干擾；在低頻時信號會有多個返回路徑……
此時，由于兩個系統(tǒng)相隔較遠，減小接地阻抗的方法已經不太適用；而如果信號是高頻信號，則不能通過單點接地來解決。此時有以下幾種解決方法：
A）采用光耦、變壓器來隔離傳輸?shù)男盘枺瑒t地線環(huán)路被切斷；
B）采用共模扼流圈串在傳輸路徑上，由于共模扼流圈對差模信號無影響，只隔離共模信號，可以去除地線環(huán)路產生的共模干擾；
C）采用差分傳輸，接收端只識別差分信號，而忽略共模信號。
好了，本節(jié)的內容就講到這里了。
- 上一篇：LDO如何實現(xiàn)輸出過載保護？ 2023/3/16
- 下一篇：老司機教你選 TVS 2023/2/27
