關(guān)于高頻工作接地的分析 -ibpcb

 行業(yè)新聞     |      2021-11-26 09:53:10    |      愛彼電路

接地?zé)o疑是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為棘手的問題之一。盡管它的概念相對(duì)比較簡單，實(shí)施起來卻很復(fù)雜，遺憾的是，它沒有一個(gè)簡明扼要可以用詳細(xì)步驟描述的方法來保證取得良好效果，但如果在某些細(xì)節(jié)上處理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致令人頭痛的問題，特別是隨著電子產(chǎn)品的傳輸速度越來越大，接地問題也是日益突出。

關(guān)于高頻PCB工作接地一般提倡電源和信號(hào)電流最好通過“接地層”回流，而且該層還可為轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源和其它子電路提供參考節(jié)點(diǎn)。但是，即便廣泛使用接地層也不能保證交流電路具有高質(zhì)量接地參考。

接地實(shí)際的分析

簡單電路采用兩層印刷電路板制造，頂層上有一個(gè)交直流電流源，其一端連到過孔1，另一端通過一條U形銅走線連到過孔2。兩個(gè)過孔均穿過電路板并連到接地層。理想情況下，頂端連接器以及過孔1和過孔2之間的接地回路中的阻抗為零，電流源上的電壓為零。這個(gè)簡單原理很難顯示出內(nèi)在的微妙之處，但了解電流如何在接地層中從過孔1流到過孔2，將有助于我們看清實(shí)際問題所在，并找到消除高頻布局接地噪聲的方法。

直流電流的流動(dòng)方式，選取了接地層中從過孔1至過孔2的電阻最小的路徑。雖然會(huì)發(fā)生一些電流擴(kuò)散，但基本上不會(huì)有電流實(shí)質(zhì)性偏離這條路徑。相反，交流電流則選取阻抗最小的路徑，而這要取決于電感。電感與電流環(huán)路的面積成比例，二者之間的關(guān)系可以用右手法則和磁場來說明。環(huán)路之內(nèi)，沿著環(huán)路所有部分流動(dòng)的電流所產(chǎn)生的磁場相互增強(qiáng)。環(huán)路之外，不同部分所產(chǎn)生的磁場相互削弱。因此，磁場原則上被限制在環(huán)路以內(nèi)。環(huán)路越大則電感越大，這意味著：對(duì)于給定的電流水平，它儲(chǔ)存的磁能（Li2）更多，阻抗更高（XL = jωL），因而將在給定頻率產(chǎn)生更大電壓。

電流將在接地層中選取哪一條路徑呢？自然是阻抗最低的路徑。考慮U形表面引線和接地層所形成的環(huán)路，并忽略電阻，則高頻交流電流將沿著阻抗最低，即所圍面積最小的路徑流動(dòng)。

除了正確進(jìn)行接地設(shè)計(jì)、安裝，還要正確進(jìn)行各種不同信號(hào)的接地處理。控制系統(tǒng)中，大致有以下幾種地線：

（1）數(shù)字地：也叫邏輯地，是各種開關(guān)量（數(shù)字量）信號(hào)的零電位。（2）模擬地：是各種模擬量信號(hào)的零電位。
（3）信號(hào)地：通常為傳感器的地。
（4）交流地：交流供電電源的地線，這種地通常是產(chǎn)生噪聲的地。
（5）直流地：直流供電電源的地。
（6）屏蔽地：也叫機(jī)殼地，為防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)。

以上這些地線處理是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試中的一個(gè)重要問題。下面就接地問題提出一些看法：

（1）一般情況下，高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地，低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地。在低頻電路中，布線和元件間的電感并不是什么大問題，然而接地形成的環(huán)路的干擾影響很大，因此，常以一點(diǎn)作為接地點(diǎn);但一點(diǎn)接地不適用于高頻，因?yàn)楦哳l時(shí)，地線上具有電感因而增加了地線阻抗，同時(shí)各地線之間又產(chǎn)生電感耦合。一般來說，頻率在1MHz以下，可用一點(diǎn)接地;高于10MHz時(shí)，采用多點(diǎn)接地;在1～10MHz之間可用一點(diǎn)接地，也可用多點(diǎn)接地。

（2）由于在一段電源地線的兩點(diǎn)間會(huì)有數(shù)mV甚至幾V電壓，對(duì)低電平信號(hào)電路來說，這是一個(gè)非常重要的干擾，因此必須加以隔離和防止。

（3）全機(jī)浮空即系統(tǒng)各個(gè)部分與大地浮置起來，這種方法簡單，但整個(gè)系統(tǒng)與大地絕緣電阻不能小于50MΩ。這種方法具有一定的抗干擾能力，但一旦絕緣下降就會(huì)帶來干擾。還有一種方法，就是將機(jī)殼接地，其余部分浮空。這種方法抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠，但實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。

（4）模擬地的接法十分重要。為了提高抗共模干擾能力，對(duì)于模擬信號(hào)可采用屏蔽浮技術(shù)。對(duì)于具體模擬量信號(hào)的接地處理要嚴(yán)格按照操作手冊(cè)上的要求設(shè)計(jì)。

（5）在控制系統(tǒng)中為了減少信號(hào)中電容耦合噪聲、準(zhǔn)確檢測和控制，對(duì)信號(hào)采用屏蔽措施是十分必要的。根據(jù)屏蔽目的不同，屏蔽地的接法也不一樣。電場屏蔽解決分布電容問題，一般接大地;電磁場屏蔽主要避免雷達(dá)、電臺(tái)等高頻電磁場輻射干擾。利用低阻金屬材料高導(dǎo)流而制成，可接大地。磁場屏蔽用以防磁鐵、電機(jī)、變壓器、線圈等磁感應(yīng)，其屏蔽方法是用高導(dǎo)磁材料使磁路閉合，一般接大地為好。當(dāng)信號(hào)電路是一點(diǎn)接地時(shí)，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地。如果電纜的屏蔽層地點(diǎn)有一個(gè)以上時(shí)，將產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。當(dāng)一個(gè)電路有一個(gè)不接地的信號(hào)源與系統(tǒng)中接地的放大器相連時(shí)，輸入端的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端;相反，當(dāng)接地的信號(hào)源與系統(tǒng)中不接地的放大器相連時(shí)，放大器的輸入端也應(yīng)接到信號(hào)源的公共端。
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