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1 Definition of ground wire
What is a ground wire on PCB電路板? 每個人在教科書中學習的地線的定義是：地線是一個等電位體，用作電路電勢的參考點. 這個定義不符合實際情況. 實際接地線上的電勢不是恒定的. 如果使用儀錶量測地線上各點之間的電位, 你會發現地線上每個點的電勢可能會有很大的變化. 正是這些電位差導致了電路的异常運行. 電路是等電位體的定義只是人們對地電位的期望. 亨利對地線給出了更現實的定義, 他將地線定義為：訊號流回到源的低阻抗路徑. 接地線中的電流在該定義中突出顯示. 根據這個定義, 接地線中電位差的原因很容易理解. 因為地線的阻抗從不為零, 當電流流過有限阻抗時, 電壓下降. 因此, 我們應該想像地線上的電勢就像大海中的波浪, 一個接一個.
2. The impedance of the ground wire
When it comes to the potential difference between the points on the ground wire caused by the impedance of the ground wire, 許多人覺得這是不可思議的：當我們用歐姆錶量測地線的電阻時, 地線的電阻通常為毫歐姆, 當電流流過這麼小的電阻器時，怎麼會出現這麼大的壓降, 導致電路工作异常. 瞭解這個問題, 我們必須首先區分導線電阻和阻抗的兩個不同概念. 電阻是指導線在直流狀態下對電流的電阻, 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. 任何導線都有電感, 當頻率很高時, 導線的阻抗遠大於直流電阻. 在實際電路中, 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, 囙此接地線上將產生較大的電壓. 對於數位電路, 電路的工作頻率非常高, 囙此地線阻抗對數位電路的影響非常大. 如果10Hz處的阻抗近似視為直流電阻, 可以看出，當頻率達到10MHz時, 對於1米長的電線, 其阻抗為1000到100,直流電阻的000倍. 所以對於射頻電流, 當電流流過接地線時, 電壓降很大. 從錶中還可以看出，新增導線直徑對於降低直流電阻非常有效, 但對降低交流阻抗的作用有限. 但在電磁相容性方面, 人們關心交流阻抗. 為了降低交流阻抗, 一種有效的方法是並聯連接多條導線. 當兩根電線並聯時, the total inductance L is: L = ( L1 + M ) / 2. 其中L1是單根導線的電感, M是兩根導線之間的互感. 從公式中可以看出，當兩根導線相距很遠時, 它們之間的互感非常小, 總電感相當於單根導線電感的一半. 因此, 我們可以通過多條地線來降低接地阻抗. 但應注意的是，多條導線之間的距離不能太近.
3. Ground wire interference mechanism
3.1 Ground loop interference
Because of the ground wire impedance, 當電流流過接地線時, 接地線上產生電壓. 當電流較大時，該電壓可能較大. 例如, 附近啟動大功率電器時, 强電流將流過接地線. 該電流在兩個設備之間的連接電纜中產生電流. 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, 這會影響電路. 因為這種干擾是由電纜和地線形成的回路電流產生的, 成為接地回路干擾. 接地回路中的電流也可以由外部電磁場感應.
3.2 Common Impedance Interference
When two circuits share a ground wire, 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. 這種電路中的訊號耦合到另一個電路中, 這種耦合稱為共阻抗耦合. 在數位電路中, 由於訊號頻率高, 地線通常呈現大阻抗. 此時, 如果有不同的電路共亯一段接地線, 可能出現共阻抗耦合問題. 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.
4. Ground wire interference countermeasures
4.1接地回路對策從接地回路干擾的機理可以看出，只要减少接地回路中的電流，就可以减少接地回路干擾. 如果接地回路中的電流可以完全消除, 接地回路干擾問題可以完全解决. 因此, 我們提出以下解決方案來解决接地回路干擾.
1) Floating the equipment at one end If the circuit at one end is floated, 接地回路被切斷, 囙此可以消除接地回路電流. 但是有兩個問題需要注意. 一是出於安全考慮, 電路通常不允許浮動. 在這種情況下, 考慮通過電感器將設備接地. 以這種管道, 50Hz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, 設備接地阻抗較大, 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 the transformer to realize the connection between the devices. 使用磁路連接兩個設備, 可以切斷接地回路電流. 然而, 應注意的是，變壓器初級和次級之間的寄生電容仍然可以為高頻接地回路電流提供路徑, 囙此，變壓器隔離方法對高頻接地回路電流的抑制效果較差. 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. 遮罩良好的變壓器可以在低於1MHz的頻率下提供有效隔離.
3) Using an optical isolator Another way to cut off the ground loop is to use light to transmit signals. 這可以說是解决接地回路干擾問題的理想方案. 光連接有兩種方法, 一個是光耦器件, 另一種是光纖連接. 光耦的寄生電容通常為2pf, 可以在非常高的頻率下提供良好的隔離. 光纖幾乎沒有寄生電容, 但在安裝方面，它們不如光耦, 維修, 和成本.
4) Using a common mode choke coil The use of a common mode choke coil on the connecting cable is equivalent to increasing the impedance of the ground loop, 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.
4.2 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共用地線. 如前所述, 降低地線阻抗的問題是降低地線的電感. 這包括使用扁平導線接地和多個間隔開的平行導線接地. 用於印刷電路板, 在雙層板上鋪設接地網可以有效降低接地線阻抗. 儘管多層板中有一層用作地線, 它的阻抗很小, 但這會新增電路板的成本. . 通過適當接地避免共同阻抗的接地方法是將單個點並聯接地. 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, 並對不同類型的電路使用並聯單點接地.
5. Summary
The main reason for the electromagnetic interference caused by the ground wire is the impedance of the ground wire. 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. 當兩個電路共用一段接地時，會發生共阻抗耦合. 解决接地回路干擾的方法是切斷接地回路, 新增接地回路的阻抗, 並使用平衡電路. 共阻抗耦合的解決方案是降低公共地線的阻抗, 或者使用並聯的單點接地連接，以完全消除 PCB板.
