精密PCB製造、高頻PCB、高速PCB、標準PCB、多層PCB和PCB組裝。
在裡面 PCB電路板 設計, 尤其是在高頻電路中, 經常會遇到由地線干擾引起的一些不規則和異常現象. 本文分析了地線干擾的原因, 詳細介紹了3種類型的地線干擾, 並根據實踐經驗提出解決方案. 這些抗干擾方法在實際應用中取得了良好的效果, 使某些系統能够在現場成功運行. 在單片機系統中, 這個 PCB板 (printed circuit board) is an important component used to support circuit components and provide electrical connections between circuit components and devices. 傳導過程中必須有一定的阻抗. 導線中的電感分量將影響電壓訊號的傳輸, 電阻分量會影響電流訊號的傳輸. 電感的影響在高頻線路中尤其嚴重. 必須注意並消除接地阻抗的影響.
1. The reason for the interference
Resistance and impedance are two different concepts. 電阻是指直流狀態下導線對電流的阻抗, 阻抗是指交流狀態下導線對電流的電阻, 這主要是由導線的電感引起的. 因為地線總是有阻抗, 用萬用表量測接地線時, 地線的電阻通常為mmÎ）. 取一根10釐米長的金屬絲, 寬度為1.5毫米，厚度為50mm, 阻抗可以通過計算得到. R=ÏL/s(Ω), where L is the length of the wire (m), s is the cross-sectional area of the wire (mm2), Ï是電阻率Ï=0.02, 囙此導線的電阻值約為0.026Ω. 當一根金屬絲遠離其他金屬絲且其長度遠大於其寬度時, 導線的自感係數為0.8m小時/m, 那麼10釐米長導線的電感為0.08m小時. 然後通過以下公式計算導線的感應電抗：XL=2ÏfL, 在以下公式中, f is the frequency (Hz) of the signal passing through the wire, and L is the self-inductance of the wire per unit length (H). 因此, 在實際電路中，分別計算導線在低頻和高頻下的感應電抗值, 引起電磁干擾的訊號通常是脈衝訊號, 脈衝訊號含有豐富的高頻成分, 囙此，它會在地線上產生大量譟音. 電壓. 從上述公式計算可以看出，在低頻訊號傳輸中，導線電阻大於導線電感. 對於數位電路, 電路的工作頻率非常高, 在高頻訊號中，導線電感遠大於導線電阻. 因此, 接地阻抗對數位電路的影響非常大. 這就是為什麼電流流過小電阻器時會出現較大壓降的原因, 導致電路工作异常.
2. Ground wire interference mechanism
2.1 Ground loop interference
Ground loop interference is a relatively common interference phenomenon that often occurs between devices that are connected by long cables and are far apart. 地線引起電磁干擾的主要原因是地線的阻抗. 當電流流過接地線時, 接地線上將產生電壓, 哪是地線譟音. 由該電壓驅動, 將產生接地回路電流, 導致接地回路干擾. 接地回路干擾：由於兩個設備的接地電位不同, 形成接地電壓. 由該電壓驅動, 電流在“裝置1”形成的回路之間流動, 互連電纜, 設備2, 和地面“. 由於電路不平衡, 每條導線上的電流不同, 囙此會產生差模電壓, 會干擾電路. 因為接地回路干擾是由接地回路電流引起的, 有時會發現，當設備的接地線斷開時, 干擾現象消失, 因為接地線斷開時接地回路被切斷. 這種現象經常發生在低頻干擾的場合. 干擾頻率高時, 接地線是否斷開並不重要.
2.2 Common Impedance Interference
In digital circuits, 由於訊號頻率高, 地線通常呈現大阻抗. 此時, 當多個電路共用一段接地線時, 由於地線的阻抗, 一個電路的接地電位將由另一個電路的工作電流調製, 囙此，一個電路中的訊號將耦合到另一個電路中, 這種耦合稱為共阻抗耦合. 解决公共阻抗耦合的方法是降低公共地線的阻抗, 或者使用單點接地來完全消除公共阻抗, 這是一種干擾現象. 圖2是一個具有四個門的簡單電路. 假設柵極1的輸出電平從高變低, the parasitic capacitance in the circuit (sometimes there is a filter capacitor at the input of gate 2) will discharge to the ground wire through gate 1. 由於地線的阻抗, 放電電流將為接地線上產生的峰值電壓. 如果此時柵極3的輸出低, 峰值電壓將傳輸至柵極3的輸出端和柵極4的輸入端. 如果該峰值電壓的幅值超過柵極4的雜訊閾值, 這將導致門4故障.
2.3 Ground loop electromagnetic coupling interference
The "ground loop" will surround a certain area. 根據電磁感應定律, 如果線圈周圍區域有變化的磁場, 回路中將產生感應電流, 造成干擾. 空間磁場的變化無處不在, 所以封閉區域越大, 干擾越嚴重.
3. Methods to solve the ground wire interference
3.1 Solve the ground loop interference
There are three basic ideas to solve the ground loop interference: one is to reduce the impedance of the ground wire, 從而降低干擾電壓, 但這對第二個原因引起的接地回路干擾沒有影響. 第二種方法是改變接地結構, 將一個主機殼的接地線連接到另一個主機殼, 並通過另一個底盤接地, 這就是單點接地的概念. 第3是新增接地回路的阻抗, 從而减少接地回路電流. 當阻抗無限大時, 接地回路實際上被切斷了, 那就是, 消除了接地回路. 因此, 提出以下解決方案來解决接地回路干擾.
1) Float the device on one side
If one side of the circuit is left floating, 接地回路被切斷, 從而消除了接地回路電流. 但有兩個問題需要注意. 一是出於安全考慮, 電路不允許浮動. 在這種情況下, 考慮通過電感器將設備接地. 以這種管道, 50 Hz交流電流設備的接地阻抗非常小, 對於頻率較高的干擾訊號, 設備接地阻抗大, 减少了接地回路電流. 但這樣做只能减少高頻干擾的接地回路干擾. 另一個問題是，儘管設備是浮動的, 設備和接地之間仍然存在寄生電容. 該電容在較高頻率下提供較低的阻抗，囙此不能有效降低高頻接地回路電流.
2) Use a transformer
The basic method to solve the ground loop interference is to cut off the ground loop. 隔離變壓器用於此目的, 兩個設備之間的訊號傳輸是通過磁場耦合實現的, 避免直接電力連接. 此時, 接地線上的干擾電壓出現在變壓器的初級和次級之間, 不在電路的輸入端. 提高變壓器高頻隔離效果的一種方法是在變壓器的初級和次級之間設定遮罩層. 然而, 必須注意的是，隔離變壓器遮罩層的接地端必須位於電路的接收端. 否則, 它不僅無法改善高頻隔離效果, 同時也使高頻耦合更加嚴重. 因此, 變壓器應安裝在訊號接收裝置的側面. 變壓器隔離方法有一些缺點, 它不能傳輸直流電, 它很笨重, 而且成本很高. 由於變壓器初級和次級之間的寄生電容, 高頻隔離效果不是很好.
3) Use Optical Isolation Elements
Transmitting signals with light is an ideal solution to ground loop problems. 如圖3所示, 光耦器件的寄生電容約為2 pF, 所以它可以在非常高的頻率下被隔離. 如果使用光纖, 不存在寄生電容問題, 並且可以獲得非常理想的隔離效果. 然而, 光纖的使用將帶來其他問題, 例如：對更大功率的需求, 對更多周邊設備的需求, 光連接的線性度和動態範圍不能滿足類比信號的要求, 光纜的安裝和維護更加複雜. 使用時, pay attention to the use of optical isolation components
4) Use a common mode choke
The ground wire voltage is actually a common mode voltage, 電纜中流動的電流是由該電壓驅動的共模電流. 在連接電纜上使用共模扼流圈相當於新增接地回路的阻抗, 使接地回路電流在一定接地電壓的作用下减小. 但要注意控制共模扼流圈的寄生電容, 否則，對高頻干擾的隔離效果很差. 共模扼流圈的匝數越多, 寄生電容越大，高頻隔離越差.
5) Suppression of ground loop interference by balanced circuit
A balanced circuit is defined as two conductors and the circuit they connect to have the same impedance with respect to a ground wire or other reference object. 在高頻下很難平衡, 而實際電路會有很多寄生因素, 例如寄生電容, 電感等. 這些參數在更高頻率下的電路阻抗中起著更大的作用. 由於這些寄生參數的不確定性, 電路的阻抗也不確定, 囙此，很難保證兩個導體的阻抗完全相同. 因此, 在高頻下, 電路平衡通常很差, 這意味著平衡電路對高頻接地回路電流干擾的抑制效果較差.
3.2 Eliminate common impedance coupling
There are two ways to eliminate the common impedance coupling. 一是降低公共接地線的阻抗, 囙此，公共接地線上的電壓也會降低, 從而控制公共阻抗耦合. 另一種方法是通過適當的接地方法避免容易相互干擾的電路的公共接地線. 通常地, 必須避免強電電路和弱電電路共用地線, 數位電路和類比電路的共用地線. 並聯接地的缺點是接地導線太多. 因此, 在實踐中, 並非所有電路都必須在單點並聯接地. 對於相互干擾較小的電路, 可以使用單點串聯接地. 例如, 電路可以根據强訊號進行分類, 微弱訊號, 類比信號, 數位信號, 等., 然後在類似電路中使用串聯單點接地, 如圖4所示, 不同類型的電路使用並聯單點接地, 如圖5所示. 當訊號頻率低於1 MHz時, 可以使用單點接地方法來防止其形成回路. 當訊號頻率高於10 MHz時, 使用多點接地，盡可能降低地線阻抗. 電源線和地線應盡可能靠近跡線，以减少封閉回路面積, 從而减少了外部磁場對環路切割造成的電場干擾, 同時也减少了回路的外部電磁輻射. 如前所述, 降低地線阻抗的問題是降低地線的電感. 你可以用扁導線做地線, 或者使用相距很遠的多個平行導線作為地線. 對於 PCB板, 在雙層板上鋪設接地網可以有效降低接地線阻抗. 在多層板中, 可以使用一個特殊層作為地線，以降低阻抗.
4. Conclusion
Anti-interference design is an important part of single-chip system design, 它的設計質量往往决定了整個系統的成敗. 關於接地, 許多關於電磁相容性的專著都有詳細的討論. 然而, 接地管道應通過實驗選擇, 通過實驗找出並消除地線干擾. 本文介紹了地線干擾的原因及解決方法, 並闡述了地線設計的一般方法和原則. 只有在理論的指導下, 經過大量的測試過程和經驗積累, 我們能更好地掌握接地系統的設計方法和干擾消除手段嗎, 從而更好地提高系統的可靠性 印刷電路板 工作.
