高速系統(tǒng)pcb設計的接地技術簡介

高速系統(tǒng)pcb設計的接地技術簡介

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1、理學院高速光電信號數(shù)據(jù)采集技術(小論文)學號:S312117016專業(yè):光學工程學生姓名:劉海帝任課教師:溫強副教授2013年3月高速系統(tǒng)PCB設計的接地技術簡介劉海帝理學院摘要:在電路或系統(tǒng)設計中,“地線”通常被定義為一個等位點,用來作為一個或更多系統(tǒng)的參考電平,為信號電流提供了一個低阻抗的路徑,由于信號是通過電流來傳播的,在電路中任何兩點都存在一定的阻抗,從而造成兩點之間存在電壓差和電流。在直流狀態(tài)下地線對電流呈現(xiàn)的阻抗很小,而在交流狀態(tài)下地線對電流的阻抗會隨著頻率的提高而快速增大,那么地線阻抗所表現(xiàn)出來的干擾就極為顯著。所以了解地線對

2、電路帶來的干擾和PCB板印刷中常用的接地方式顯得尤為重要。關鍵詞:接地地線干擾PCB板“接地”(Grounding)一般指將電路、設備或系統(tǒng)連接到一個作為參考電位點或參考電位面的良好導體上,為電路或系統(tǒng)與“地”之間建立一個低阻抗的通道。地線是作為電路或系統(tǒng)電位基準點的等電位體,是系統(tǒng)中各個電路的公共導體,任何電路的電流都會經(jīng)過地線形成回路。然而,任何導體都存在著一定的阻抗,當?shù)鼐€中有電流通過時,根據(jù)歐姆定律,地線上就會有電壓存在,那么地線就不是一個等電位體。所以在實際設計電路或系統(tǒng)時,關于地線上各點的電位一定相等的假設就不是成立的,實際的情

3、況是底線上各點存在電位差,有的相位差還可能很大。地線的公共阻抗會使各接地點間形成一定的電壓,從而就會產(chǎn)生接地干擾。如上面所說,地線作為導體,存在一定的阻抗,顧名思義,阻抗也就是由電阻和感抗兩部分組成,即:導體的阻抗是頻率的函數(shù),隨著頻率的升高,阻抗增加很快。對于高速數(shù)字電路而言,電路的時鐘頻率是很高的,脈沖信號包涵豐富的高頻成分,因此會在地線上產(chǎn)生較大的電壓,則地線阻抗對數(shù)字電路的干擾十分可觀。在電子產(chǎn)品的PCB設計中,抑制或防止地線干擾是需要考慮的最主要問題之一。所謂干擾,必然是發(fā)生在不同的單元電路、部件或系統(tǒng)之間,而地線干擾是指通過公用

4、地線的方式產(chǎn)生的信號干擾。注意這里所提到的信號,通常是指交流信號或者跳變信號。地線干擾的形式很多,有人把它歸結成兩類:地線環(huán)路干擾、公共阻抗干擾,其實應該還要加上地線環(huán)路的電磁耦合干擾,因此是三類。下圖可以很好的說明三類地線干擾的成因。圖1.地線干擾圖解一、地環(huán)路干擾。橫向,每根導線上的電流不同,因此會產(chǎn)生差模電壓,對電路造成影響。具體的說就是“其他電路單元B”的地線電流,在J、N、L、M形成的“地線環(huán)路”中,對放大器A1和A2造成了影響。由于這種干擾是由電纜與地線構成的環(huán)路電流產(chǎn)生的,因此成為地環(huán)路干擾。二、地環(huán)路電磁耦合干擾。在實際電路

5、的PCB上,J、N、L、M形成的“地線環(huán)路”將包圍一定的面積,根據(jù)電磁感應定律,如果這個環(huán)路所包圍的面積中有變化的磁場存在,就會在環(huán)路中產(chǎn)生感生電流,形成干擾??臻g磁場的變化無處不在,于是包圍的面積越大干擾就越嚴重。三、公共阻抗干擾。認真考察上圖所示的電路結構,我們將發(fā)現(xiàn),J、N、L、M中,有一條連接是多余的,隨便去除其一,仍然可以滿足各個接地點的連通關系,同時又可以消除地線環(huán)路。那么,將哪一條連線去除比較合理呢?這時就要考慮另一類的干擾問題——公共阻抗干擾。①去除J:這是最差的方案。J去除后地線環(huán)路似乎消失了,可是另一個更可怕的環(huán)路又形成

6、了(I、N、L、M),其中I是信號線,因此干擾比原來有線J時還要嚴重。②去除M:環(huán)路消失,但是我們發(fā)現(xiàn),此時放大器A2的地線電流需要流過J、N到達接地零點,注意N段是A1和A2共同的接地線,因此A2接地電流在N上形成的電壓降就加到了A1上,形成干擾。這種因共用一段地線而形成的干擾稱為“公共阻抗干擾”。③去除L:不僅不能解決A2與A1之間的公共阻抗干擾問題,還引起了“B單元電路”與A1、A2之間的公共阻抗干擾問題。④去除N:看來這是最后的方法。其實這樣做將使M成為A1、A2的“公用阻抗”,同樣形成干擾。還是存在問題!但是,我們注意到,此法中的

7、干擾是A1對A2的干擾,A2是后級,工作信號強度遠大于A1,因此A1對A2的干擾,很難造成不良后果。最合理的走線方案是:去除N,然后將M的下端直接連到“接地信號零點”上。以上是關于接地干擾產(chǎn)生的原因,下面再介紹的幾種常見的接地方式,結合前面對接地干擾產(chǎn)生原因的了解,有助于我們在實際設計PCB板電路時,正確的選擇干擾最小的接地方式,設計出合理的電路或系統(tǒng)。信號接地方式可以大體上分為:單點接地、多點接地、混合接地和懸浮接地。一、單點接地。單點接地就是把真?zhèn)€電路系統(tǒng)中的某一點作為接地的基準點,所有電路及設備的地線都必須接到這一點上,并以該點作為電

8、路、設備的零電位參考點。單點接地又分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。如下圖所示:串聯(lián)單點接地圖2.串聯(lián)單點接地對于串聯(lián)式單點接地方式,如果該電路的功率很大,會產(chǎn)生很大的電路回流,在

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