PCB地線的干擾與抑制

在PCB設(shè)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(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了地線產(chǎn)生干擾的三種類型，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)提出了解決措施。這些抗干擾方法在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，使一些系統(tǒng)在現(xiàn)場成功運(yùn)行。

在單片機(jī)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(dǎo)線多為銅線，銅自身的物理特性也導(dǎo)致其在導(dǎo)電過程中必然存在一定的阻抗，導(dǎo)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(yán)重，因此，在PCB設(shè)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(dǎo)線對電流呈現(xiàn)的阻抗，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流的阻抗，這個阻抗主要是由導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線長度(m)，s為導(dǎo)線截面積(mm2)，ρ為電阻率ρ=0.02，因此該導(dǎo)線電阻值約為0．026 Ω。

當(dāng)一段導(dǎo)線與其他導(dǎo)線遠(yuǎn)離并且其長度遠(yuǎn)大于寬度時，導(dǎo)線的自感量為0．8 μH／m，那么10 cm長的導(dǎo)線的電感量是0．08μH。再由下面的公式求出導(dǎo)線感抗：XL=2πfL，下式中，f為導(dǎo)線通過信號的頻率(Hz)，L為單位長度導(dǎo)線的自感量(H)。所以分別計算出該導(dǎo)線在低頻和高頻下的感抗值：

在實(shí)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(dǎo)線電阻大于導(dǎo)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(dǎo)線感抗要遠(yuǎn)大于導(dǎo)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(dǎo)致電路工作異常的原因。

2 地線干擾機(jī)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(yuǎn)的設(shè)備之間。地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)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(shè)備的地電位不同，形成地電壓，在這個電壓的驅(qū)動下，“設(shè)備1一互聯(lián)電纜一設(shè)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(dǎo)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(dǎo)致的，因此有時會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把一個設(shè)備的地線斷開后，干擾現(xiàn)象消失，這是因?yàn)榈鼐€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(dāng)干擾頻率較高時，斷開地線與否關(guān)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(dāng)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(jìn)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(diǎn)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(shè)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。