電路設計常用接地方法圖解
地線也是有阻抗的,電流流過地線時,會產生電壓,此為噪聲電壓,而噪聲電壓則是影響係統穩定的幹擾源之一,不可取。所以,要降低地線噪聲的前提是降低地線的阻抗。
眾所周知,地線是電流返回源的通路。隨著大規模集成電路和高頻電路的廣泛應用,低阻抗的地線設計在電路中顯得尤為重要。這裏就簡單列舉幾種常用的接地方法:
1、單點接地,顧名思義,就是把電路中所有回路都接到一個單一的,相同的參考電位點上。如下圖所示。
單點接地可以分為“串聯接地”和“並聯接地”兩種方式。串聯單點接地的方式簡單,但是存在共同地線的原因,導致存在公共地線阻抗,如果此時串聯在一起的是功率相差很大的電路,那麼互相幹擾就非常嚴重。並聯單點接地的方式可以避免公共地線耦合的因素,但是每部分電路都需要引地線到接地點上,需要的地線就過多,不實用。
所以,在實際應用時,可以采用串聯和並聯混合的單點接地方式。在畫PCB板時,把互相不易幹擾的電路放一層,把互相容易發生幹擾的電路放不同層,再把不同層的地並聯接地。如下圖所示。
單點接地在高頻電路裏麵,因為地線長,地線的阻抗是永遠避免不了的因素,所以並不適用,那怎麼辦呢?下麵再介紹“多點接地”。
2、多點接地。當電路工作頻率較高時,想象一下高頻信號在沿著地線傳播時,所到之處影響周邊電路會有多麼嚴重,因此所有電路就要就近接到地上,地線要求最短,多點接地就產生了。
多點接地,其目的是為了降低地線的阻抗,在高頻(f 一定的條件下)電路中,要降低阻抗,主要從兩個方麵去考慮,一是減小地線電阻,二是減小地線感抗。
1),減小地線導體電阻,從電阻與橫截麵的關係公式中我們知道,要增加地線導通的橫截麵積。但是在高頻環境中,存在一種高頻電流的趨膚效應(也叫集膚效應),高頻電流會在導體表麵通過,所以單純增大地線導體的橫截麵積往往作用不大。可以考慮在導體表麵鍍銀,因為銀的導電性較其他導電物質優秀,故而會降低導體電阻。
2),減小地線的感抗,最好的方法就是增大地線的麵積。
在實際應用時,地線短,地麵積大,抗幹擾的效果就會更好。
寫到這裏時,可能有人會問,如何才算是高頻電路?參考楊繼深教授的書籍《電磁兼容EMC技術》有提到“通常1MHZ以下算低頻電路,可以采用單點接地,10MHZ以上算高頻電路,可以采用多點接地的方式”,1MHZ和10MHZ時,如果最長地線不超過波長的1/20,可以單點接地,否則多點接地。
假如電路中既有高頻信號,又有低頻信號,怎麼辦?混合接地會是個好選擇!
3、混合接地。如圖所示:
通過圖來分析。
上圖中的第一種結構,假定工作在低頻電路中,根據容抗Zc = 1/2πfc可知,容抗在低頻環境下很大,而高頻環境下很小。那麼地線在低頻時是斷開的,在受到高頻幹擾時接近導通。如此接法可以有效避開地線環路的幹擾影響。
上圖中的第二種結構,假定工作在高頻電路中,根據感抗Zl = 2πfl可知,感抗在低頻環境下很小,而高頻環境下很大。那麼地線在低頻時是類似導通的,在受到高頻幹擾時是斷開。如此接法可以有效避開地環路電流的影響。
綜述,在實際應用中,電路根據工作環境采用合適的接地方式可以有效避開幹擾信號,達到電路的最優效果。
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