數(shù)字和模擬混合電路中的接地問題

1、.數(shù)字和模擬混合電路中的接地問題數(shù)字和模擬混合電路中的接地問題藍(lán)色鸚鵡單點(diǎn)接地多點(diǎn)接地單點(diǎn)地要解決的問題就是針對(duì)"公共地阻抗耦合"和"低頻地環(huán)路"，多點(diǎn)地是針對(duì)"高頻所容易通過長(zhǎng)地走線產(chǎn)生的共模干擾".低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在110MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。數(shù)字地與模擬地

2、之間單點(diǎn)接地，數(shù)字地之內(nèi)多點(diǎn)接。地線干擾與地線設(shè)計(jì)地線設(shè)計(jì)是電磁兼容設(shè)計(jì)中大家都很注意，卻又不知道應(yīng)該怎樣去做的一個(gè)問題。了解了地線造成干擾問題的機(jī)理之后，在設(shè)計(jì)和實(shí)施地線時(shí)就有了一個(gè)明確的思路。本期從介紹地線造成干擾的原理入手，使讀者了解設(shè)計(jì)地線的關(guān)鍵和原則。1什么是地線?地線有安全地和信號(hào)地兩種。前者是為了保證人身安全、設(shè)備安全而設(shè)置的地線，后者是為了保證電路正確工作所設(shè)置的地線。造成電路干擾現(xiàn)象的主要是信號(hào)地，因此這里僅討論信號(hào)地的問題。信號(hào)地的一般定義是：電路的電位參考點(diǎn)。更恰當(dāng)?shù)卣f，這個(gè)定義是我們?cè)O(shè)計(jì)電路時(shí)的一個(gè)假設(shè)。從這個(gè)定義是無法分析和理解一些地線干擾問題的。從現(xiàn)在開始，我們?cè)诜?/p>

3、析電磁兼容問題時(shí)，使用下面的定義。地線是信號(hào)電流流回信號(hào)源的地阻抗路徑。既然地線是電流的一個(gè)路徑，那么根據(jù)歐姆定律，地線上是有電壓的；既然地線上有電壓，說明地線不是一個(gè)等電位體。這樣，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，關(guān)于地線電位一定的假設(shè)就不再成立，因此電路會(huì)出現(xiàn)各種錯(cuò)誤。這就是地線干擾的實(shí)質(zhì)。2地線的阻抗有多大?一個(gè)難以理解的問題是，我們?cè)谠O(shè)計(jì)地線時(shí)，都使地線的電阻很小，那么地線上的電位差怎么會(huì)大到導(dǎo)致電路出錯(cuò)的程度。理解這個(gè)問題，要理解地線阻抗的組成。地線的阻抗Z由電阻部分和感抗部分兩部分組成，即：Z=RAC+jL。電阻成分：導(dǎo)體的電阻分為直流電阻RDC和交流電阻RAC。對(duì)于交流電流，由于趨膚效應(yīng)，電流

4、集中在導(dǎo)體的表面，導(dǎo)致實(shí)際電流截面減小，電阻增加，直流電阻和交流電阻的關(guān)系如下：RAC=0.076rf1/2RDC式中：r=導(dǎo)線的半徑，單位cm，f=流過導(dǎo)線的電流頻率，單位Hz，RDC=導(dǎo)線的直流電阻，單位。電感成分：任何導(dǎo)體都有內(nèi)電感(這區(qū)別于通常講的外電感，外電感是導(dǎo)體所包圍的面積的函數(shù))，內(nèi)電感與導(dǎo)體所包圍的面積無關(guān)。對(duì)于圓截面導(dǎo)體如下：L=0.2Sln(4.5/d)-1(H)式中S=導(dǎo)體長(zhǎng)度(m)，d=導(dǎo)體直徑(m)表1說明了直流電阻與交流阻抗的巨大差異。頻率很低時(shí)的阻抗可以認(rèn)為是導(dǎo)體的電阻，從表中可以看出，隨著頻率升高，阻抗增加很快，當(dāng)頻率達(dá)到100MHz以上時(shí)，直徑6.5mm長(zhǎng)度

5、僅為10cm的導(dǎo)線也有數(shù)十歐姆的阻抗。3地環(huán)路干擾及對(duì)策地環(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(zhǎng)電纜連接的相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間。其產(chǎn)生的內(nèi)在原因是設(shè)備之間的地線電位差。地線電壓導(dǎo)致了地環(huán)路電流，由于電路的非平衡性，地環(huán)路電流導(dǎo)致對(duì)電路造成影響的差模干擾電壓(圖1)。由于地環(huán)路干擾是由地環(huán)路電流導(dǎo)致的，因此在實(shí)踐中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將一個(gè)設(shè)備的地線斷開時(shí)，干擾現(xiàn)象消失，這是因?yàn)榈鼐€斷開時(shí)，切斷了地環(huán)路。這種現(xiàn)象往往發(fā)生在干擾頻率較低的場(chǎng)合，當(dāng)干擾頻率高時(shí)，短開地線與否關(guān)系不大。地環(huán)路干擾形成的原因1：兩個(gè)設(shè)備的地電位不同，形成地電壓，在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，"設(shè)備1-互聯(lián)電纜-設(shè)備

6、2-地"形成的環(huán)路之間有電流流動(dòng)。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成干擾。地線上的電壓是由于其他功率較大的設(shè)備也用這段地線，在地線中引起較強(qiáng)電流，而地線又有較大阻抗產(chǎn)生的。地環(huán)路干擾形成的原因2：由于互聯(lián)設(shè)備處在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)中，電磁場(chǎng)在"設(shè)備1-互聯(lián)電纜-設(shè)備2-地"形成的環(huán)路中感應(yīng)出環(huán)路電流，與原因1的過程一樣導(dǎo)致干擾。解決地環(huán)路干擾的方法：解決地環(huán)路干擾的基本思路有三個(gè)：一個(gè)是減小地線的阻抗，從而減小干擾電壓，但是這對(duì)第二種原因?qū)е碌牡丨h(huán)路沒有效果。另一個(gè)是增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無限大時(shí)，實(shí)際是將地環(huán)

7、路切斷，即消除了地環(huán)路。例如將一端的設(shè)備浮地、或?qū)⒕€路板與機(jī)箱斷開等是直接的方法。但出于靜電防護(hù)或安全的考慮，這種直接的方法在實(shí)踐中往往是不允許的。更實(shí)用的方法是使用隔離變壓器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡電路等方法。第三個(gè)方法是改變接地結(jié)構(gòu)，將一個(gè)機(jī)箱的地線連接到另一個(gè)機(jī)箱上，通過另一個(gè)機(jī)箱接地，這就是單點(diǎn)接地的概念。4公共阻抗耦合及對(duì)策當(dāng)兩個(gè)電路的地電流流過一個(gè)公共阻抗時(shí)，就發(fā)生了公共阻抗耦合，如圖2(a)所示。一個(gè)電路的地電位會(huì)受到另一個(gè)電路工作狀態(tài)的影響，即一個(gè)電路的地電位受另一個(gè)電路的地電流的調(diào)制，另一個(gè)電路的信號(hào)就耦合進(jìn)了前一個(gè)電路。放大器級(jí)間公共地線耦合問題：圖2(a)中的放大器

8、，由于前置放大電路與功率放大電路共用一段地線，功率放大電路的地線電流很大，因此在地線上產(chǎn)生了較大的地線電壓V。這個(gè)電壓正好在前置放大電路的輸入回路中，如果滿足一定的相位關(guān)系，就形成了正反饋，造成放大器自激。解決辦法：可以有兩個(gè)解決辦法，一個(gè)是將電源的位置改變一下，使它*近功率放大電路，這樣，就不會(huì)有較大的地線電壓落在前置放大電路的輸入回路中了，如圖2(b)所示。另一個(gè)辦法是功率放大電路單獨(dú)通過一根地線連接到電源，這實(shí)際是改成了并聯(lián)單點(diǎn)接地結(jié)構(gòu)，如圖2(d)所示。5接地策略信號(hào)地有圖3所示的幾種方式。單點(diǎn)接地：所有電路的地線接到公共地線的同一點(diǎn)，進(jìn)一步可分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。最大好處是

9、沒有地環(huán)路，相對(duì)簡(jiǎn)單。但地線往往過長(zhǎng)，導(dǎo)致地線阻抗過大。多點(diǎn)接地：所有電路的地線就近接地，地線很短，適合高頻接地。問題是存在地環(huán)路?；旌辖拥兀涸诘鼐€系統(tǒng)內(nèi)使用電感、電容連接，利用電感、電容器件在不同頻率下有不同阻抗的特性，使地線系統(tǒng)在不同的頻率具有不同的接地結(jié)構(gòu)。串聯(lián)單點(diǎn)接地容易產(chǎn)生公共阻抗耦合的問題，解決的方法是采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。但是并聯(lián)單點(diǎn)接地往往由于地線過多，而沒有可實(shí)現(xiàn)性。因此，靈活的方案是，將電路按照信號(hào)特性分組，相互不會(huì)產(chǎn)生干擾的電路放在一組，一組內(nèi)的電路采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同組的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。如圖4所示。這樣，既解決了公共阻抗耦合的問題，又避免了地線過多的問題。接地的方法

10、很多，具體使用那一種方法取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。"接地"的概念首次應(yīng)用在電話的設(shè)計(jì)開發(fā)中。從1881年初開始采用單根電纜為信號(hào)通道，大地為公共回路。這就是第一個(gè)接地問題。但是用大地作為信號(hào)回路會(huì)導(dǎo)致地回路中的過量噪聲和大氣干擾。為了解決這個(gè)問題，增加了信號(hào)回路線?，F(xiàn)在存在的許多接地方法都是來源于過去成功的經(jīng)驗(yàn)，這些方法包括：1)單點(diǎn)接地：如圖1所示，單點(diǎn)接地是為許多在一起的電路提供公共電位參考點(diǎn)的方法，這樣信號(hào)就可以在不同的電路之間傳輸。若沒有公共參考點(diǎn)，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)傳輸。單點(diǎn)接地要求每個(gè)電路只接地一次，并且接在同一點(diǎn)。該點(diǎn)常常一地球?yàn)閰⒖肌Ｓ捎谥淮嬖谝粋€(gè)參考點(diǎn)，因此可

11、以相信沒有地回路存在，因而也就沒有干擾問題。2)多點(diǎn)接地：如圖2所示，從圖中可以看出，設(shè)備內(nèi)電路都以機(jī)殼為參考點(diǎn)，而各個(gè)設(shè)備的機(jī)殼又都以地為參考點(diǎn)。這種接地結(jié)構(gòu)能夠提供較低的接地阻抗，這是因?yàn)槎帱c(diǎn)接地時(shí)，每條地線可以很短；并且多根導(dǎo)線并聯(lián)能夠降低接地導(dǎo)體的總電感。在高頻電路中必須使用多點(diǎn)接地，并且要求每根接地線的長(zhǎng)度小于信號(hào)波長(zhǎng)的1/20。3)混合接地：混合接地既包含了單點(diǎn)接地的特性，又包含了多點(diǎn)接地的特性。例如，系統(tǒng)內(nèi)的電源需要單點(diǎn)接地，而射頻信號(hào)又要求多點(diǎn)接地，這時(shí)就可以采用圖3所示的混合接地。對(duì)于直流，電容是開路的，電路是單點(diǎn)接地，對(duì)于射頻，電容是導(dǎo)通的，電路是多點(diǎn)接地。當(dāng)許多相互連接的

12、設(shè)備體積很大(設(shè)備的物理尺寸和連接電纜與任何存在的干擾信號(hào)的波長(zhǎng)相比很大)時(shí)，就存在通過機(jī)殼和電纜的作用產(chǎn)生干擾的可能性。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，干擾電流的路徑通常存在于系統(tǒng)的地回路中。在考慮接地問題時(shí)，要考慮兩個(gè)方面的問題，一個(gè)是系統(tǒng)的自兼容問題，另一個(gè)是外部干擾耦合進(jìn)地回路，導(dǎo)致系統(tǒng)的錯(cuò)誤工作。由于外部干擾常常是隨機(jī)的，因此解決起來往往更難。接地要求要求接地的理由很多，下面列出幾種：1)安全接地：使用交流電的設(shè)備必須通過黃綠色安全地線接地，否則當(dāng)設(shè)備內(nèi)的電源與機(jī)殼之間的絕緣電阻變小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電擊傷害。2)雷電接地：設(shè)施的雷電保護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，由避雷針、下導(dǎo)體和與接地系統(tǒng)相連的接頭組成。該

13、接地系統(tǒng)通常與用做電源參考地及黃綠色安全地線的接地是共用的。雷電放電接地僅對(duì)設(shè)施而言，設(shè)備沒有這個(gè)要求。3)電磁兼容接地：出于電磁兼容設(shè)計(jì)而要求的接地，包括：*屏蔽接地：為了防止電路之間由于寄生電容存在產(chǎn)生相互干擾、電路輻射電場(chǎng)或?qū)ν饨珉妶?chǎng)敏感，必須進(jìn)行必要的隔離和屏蔽，這些隔離和屏蔽的金屬必須接地。*濾波器接地：濾波器中一般都包含信號(hào)線或電源線到地的旁路電容，當(dāng)濾波器不接地時(shí)，這些電容就處于懸浮狀態(tài)，起不到旁路的作用。*噪聲和干擾抑制：對(duì)內(nèi)部噪聲和外部干擾的控制需要設(shè)備或系統(tǒng)上的許多點(diǎn)與地相連，從而為干擾信號(hào)提供"最低阻抗"通道。*電路參考：電路之間信號(hào)要正確傳輸，必須有

14、一個(gè)公共電位參考點(diǎn)，這個(gè)公共電位參考點(diǎn)就是地。因此所有互相連接的電路必須接地。以上所有理由形成了接地的綜合要求。但是，一般在設(shè)計(jì)要求時(shí)僅明確安全和雷電防護(hù)接地的要求，其它均隱含在用戶對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備的電磁兼容要求中。返回目錄3接地技術(shù)應(yīng)用目前所應(yīng)用的接地技術(shù)和方法可以說是過去解決問題的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。典型的接地要求往往限制在所謂的"單點(diǎn)接地"上。通常在電路這一級(jí)上不專門提出對(duì)接地的具體要求，因?yàn)樵谶@一層次上提出具體要求是不合適的。對(duì)數(shù)字電路而言，大多數(shù)邏輯芯片讀采用單端電路的方式工作。也就是說，所有信號(hào)的電位以電源回路為參考的話，其電位是0V。在模擬電路中，情況也類似。當(dāng)元器件之間的

15、距離很近時(shí)，要完成邏輯信號(hào)的產(chǎn)生、處理和波形整形是很容易的，但如果傳輸線過長(zhǎng)或者參考點(diǎn)電位不正確的話，都會(huì)產(chǎn)生問題。我們要建立這樣的概念：接地并不是每個(gè)部分或每個(gè)系統(tǒng)都需要的，比如單塊的線路板并不非要接地才能正常工作。當(dāng)設(shè)備之間要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，接地就是十分必要的了七、接地接地分安全接地、工作接地，這里所談的是工作接地，設(shè)計(jì)接地點(diǎn)就是要盡可能減少各支路電流之間的相互耦合干擾，主要方法有：?jiǎn)吸c(diǎn)接地、串聯(lián)接地、平面接地。在電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大部分干擾問題。電子設(shè)備中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地(屏蔽地)、數(shù)字地(邏輯地)和模擬地等。在地線設(shè)計(jì)

16、中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而租，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。當(dāng)工作頻率在110MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。2.將數(shù)字電路與模擬電路分開電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路

17、的接地面積。3.盡量加粗接地線若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗。4.將接地線構(gòu)成閉環(huán)路設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線粗細(xì)的限制，會(huì)在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。電磁兼容(EMC)的兩個(gè)基本原則：第一個(gè)原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積；第二個(gè)原則是系統(tǒng)只采用一個(gè)參考面。在所有EMC問題中，主要問題是不適

18、當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號(hào)接地方法：?jiǎn)吸c(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在頻率低于1MHz時(shí)可采用單點(diǎn)接地方法，但不適于高頻。在高頻應(yīng)用中，最好采用多點(diǎn)接地?；旌辖拥厥堑皖l用單點(diǎn)接地而高頻用多點(diǎn)接地的方法。地線布局是關(guān)鍵的。高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的地回路絕對(duì)不能混合。當(dāng)設(shè)計(jì)高頻(f 10MHz)電路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板(完整的地平面層)。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都要回流到地，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會(huì)很大，而模擬信號(hào)是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會(huì)影響到模擬信號(hào)。一般來說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細(xì)的走線連在一起，或者單點(diǎn)接在一起。

19、總的思想是盡量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開，如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。對(duì)于一般器件來說，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)后，對(duì)于一般信號(hào)的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過孔數(shù)量；靠近地平面或者電源平面，等等。屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號(hào)地上，這是因?yàn)樾盘?hào)地上有各種的噪聲，如果屏蔽層接到了信號(hào)地上，噪聲電壓會(huì)驅(qū)動(dòng)共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設(shè)計(jì)不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈?；鹁€地線零線首先用電分為動(dòng)力用電和家用電.動(dòng)力用電就是常說的380伏電,多用于工廠.這種電多是三相四線.四線中三根火線,一根零線.三根火線經(jīng)過負(fù)載如電動(dòng)機(jī)等用電設(shè)備后都經(jīng)過零線形成回路,設(shè)備才能正常工作.零線在發(fā)電廠是接地的.家用電是指我們常說的220伏電也叫單相電,有兩根線,一根火線,一根零線.火線經(jīng)過負(fù)載如燈泡等用電器后經(jīng)零線形成回路,用電器才能正常工作.這里的零線在發(fā)電廠也是接地的.動(dòng)力電和家用電的零線雖然在發(fā)電廠都是接地的,但我們平時(shí)說的地線和零線不是一個(gè)概念.你看我們家里的三孔電源插座,如果是正規(guī)施工,其