1.地的接法
對于一個信號來說,它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑,所以如何處理這個信號回流就變得非常的關鍵。第一,根據公式可以知道,輻射強度是和回路面積成正比的,就是說回流需要走的路徑越長,形成的環越大,它對外輻射的干擾也越大,所以,PCB布板的時候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。第二,對于一個高速信號來說,提供有好的信號回流可以保證它的信號質量,這是因為PCB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層(或電源層)為參考來計算的,如果高速線附近有連續的地平面,這樣這條線的阻抗就能保持連續,如果有段線附近沒有了地參考,這樣阻抗就會發生變化,不連續的阻抗從而會影響到信號的完整性。
所以,布線的時候要把高速線分配到靠近地平面的層,或者高速線旁邊并行走一兩條地線,起到屏蔽和就近提供回流的功能。第三,為什么說布線的時候盡量不要跨電源分割,這也是因為信號跨越了不同電源層后,它的回流途徑就會很長了,容易受到干擾。當然,不是嚴格要求不能跨越電源分割,對于低速的信號是可以的,因為產生的干擾相比信號可以不予關心。對于高速信號就要認真檢查,盡量不要跨越,可以通過調整電源部分的走線。
許多電磁干擾問題是由地線產生的,因為地線電位是整個電路工作的基準電位,如果地線設計不當,地線電位就不穩,就會導致電路故障。地線設計的目的是要保證地線電位盡量穩定,從而消除干擾現象。信號接地方式一般有三種:浮地、單點接地、多點接地。
1.1 浮地
目的:使電路或設備與公共地線可能引起環流的公共導線隔離起來,浮地還使不同電位的電路之間配合變得容易。 缺點:容易出現靜電積累引起強烈的靜電放電。 折衷方案:接入泄放電阻。
1.2 單點接地
單點接地:所有電路的地線接到公共地線的同一點,進一步可分為串聯單點接地和并聯單點接地。在大功率和小功率電路混合的系統中,切忌使用,因為大功率電路中的地線電流會影響小功率電路的正常工作。另外,最敏感的電路要放在A點,這點電位是最穩定的。最大的好處就是沒有地環路,相對簡單,但是地線往往過長,導致地線阻抗過大。
工作頻率低(<1MHz)的采用單點接地式
缺點:不適宜用于高頻場合。
根據使用情況還可以用串聯單點、并聯單點混合接地。在這種接地方式中,將電路按照特性分組,相互之間不易發生干擾的電路放在同一組,相互之間容易發生干擾的電路放在不同的組。每個組內采用串聯單點接地,獲得最簡單的地線結構,不同組的接地采用并聯單點接地,避免相互之間干擾。 這個方法的關鍵:絕不要使功率相差很大的電路或噪聲電平 相差很大的電路共用一段地線。
在低頻率、小功率和相同電源層之間,單點接地是最為適宜的,通常應用于模擬電路之中;這里一般采用星型方式進行連接降低了可能存在的串聯阻抗的影響。
1.3 多點接地
工作頻率高(>30MHz)的采用多點接地式(即在該電路系統中,用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路)。因為接地引線的感抗與頻率和長度成正比,工作頻率高時將增加共地阻抗,從而將增大共地阻抗產生的電磁干擾,所以要求地線的長度盡量短。采用多點接地時,盡量找最接近的低阻值接地面接地。高頻率的數字電路就需要并聯接地了,在這里一般通過地孔的方式可較為簡單的處理。
PCB中的大面積敷銅接地,其實就是多點接地,所以單面PCB也可以實現多點接地 ,多層PCB大多為高速電路,地層的增加可以有效提高PCB的電磁兼容性,是提高信號抗干擾的基本手段,同樣由于電源層和底層和不同信號層的相互隔離,減輕了PCB的布通率也增加了信號間的干擾。
1.4.混合接地
如果不選擇使用整個平面的作為公共的地線,比如模塊本身有兩個地線的時候,就需要進行對地平面進行分割,這往往與電源平面有相互作用。地之間的連接方法如下:
① 地間電路板普通走線連接:使用這種方法可以保證兩個地線之間可靠的低阻抗導通,但僅限于中低頻信號電路地之間的接法。
② 地間大電阻連接:大電阻的特點是一旦電阻兩端出現壓差,就會產生很弱的導通電流,把地線上電荷泄放掉之后,最終實現兩端的壓差為零。
③ 地間電容連接:電容的特性是直流截止和交流導通,應用于浮地系統中。
④ 地間磁珠連接:磁珠等同于一個隨頻率變化的電阻,它表現的是電阻特性。應用于快速小電流波動的弱信號的地與地之間。
⑤ 地間電感連接:電感具有抑制電路狀態變化的特性,可以削峰填谷,通常應用于兩個有較大電流波動的地與地之間。
⑥ 地間小電阻連接:小電阻增加了一個阻尼,阻礙地電流快速變化的過沖;在電流變化時候,使沖擊電流上升沿變緩。
2模擬地和數字地
模擬信號和數字信號都要回流到地,因為數字信號變化速度快,從而在數字地上引起的噪聲就會很大,而模擬信號是需要一個干凈的地參考工作的。如果模擬地和數字地混在一起,噪聲就會影響到模擬信號。一般來說,模擬地和數字地要分開處理,然后通過細的走線連在一起,或者單點接在一起??偟乃枷胧潜M量阻隔數字地上的噪聲竄到模擬地上。
3星型接地
"星型"接地的理論基礎是電路中總有一個點是所有電壓的參考點,稱為"星型接地"點。我們可以通過一個形象的比喻更好地加以理解—多條導線從一個共同接地點呈輻射狀擴展,類似一顆星。星型點并不一定在外表上類似一顆星—它可能是接地層上的一個點—但星型接地系統上的一個關鍵特性是:所有電壓都是相對于接地網上的某個特定點測量的,而不是相對于一個不確定的"地"。
4屏蔽層如何接地
屏蔽電纜的屏蔽層、信號包地都要接到單板的接口地上而不是信號地上,這是因為信號地上有各種的噪聲,如果屏蔽層接到了信號地上,噪聲電壓會驅動共模電流沿屏蔽層向外干擾,所以設計不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。
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原文標題:硬件工程師必讀:如何設計地
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