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色鸚鵡單點接地多點接地單點地要解決的問題就是針對"公共地阻抗耦合"和"低頻地環(huán)路"，多點地是針對"高頻所容易通過長地走線產(chǎn)生的共模干擾".低頻電路中，信號的工作頻率小于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)流對干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點接地。當(dāng)信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點接地。當(dāng)工作頻率在110MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點接地法。數(shù)字地與模擬地

2、之間單點接地，數(shù)字地之內(nèi)多點接。地線干擾與地線設(shè)計地線設(shè)計是電磁兼容設(shè)計中大家都很注意，卻又不知道應(yīng)該怎樣去做的一個問題。了解了地線造成干擾問題的機理之后，在設(shè)計和實施地線時就有了一個明確的思路。本期從介紹地線造成干擾的原理入手，使讀者了解設(shè)計地線的關(guān)鍵和原則。1什么是地線?地線有安全地和信號地兩種。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)象的主要是信號地，因此這里僅討論信號地的問題。信號地的一般定義是：電路的電位參考點。更恰當(dāng)?shù)卣f，這個定義是我們設(shè)計電路時的一個假設(shè)。從這個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，我們在分

3、析電磁兼容問題時，使用下面的定義。地線是信號電流流回信號源的地阻抗路徑。既然地線是電流的一個路徑，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，說明地線不是一個等電位體。這樣，我們在設(shè)計電路時，關(guān)于地線電位一定的假設(shè)就不再成立，因此電路會出現(xiàn)各種錯誤。這就是地線干擾的實質(zhì)。2地線的阻抗有多大?一個難以理解的問題是，我們在設(shè)計地線時，都使地線的電阻很小，那么地線上的電位差怎么會大到導(dǎo)致電路出錯的程度。理解這個問題，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)。對于圓截面導(dǎo)體如下：L=0.2Sln(4.5/d)-1(H)式中S=導(dǎo)體長度(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。頻率很低時的阻抗可以認為是導(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)頻率達到100MHz以上時，直徑6.5mm長度

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)生在通過較長電纜連接的相距較遠的設(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，因此在實踐中，有時會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將一個設(shè)備的地線斷開時，干擾現(xiàn)象消失，這是因為地線斷開時，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合，當(dāng)干擾頻率高時，短開地線與否關(guān)系不大。地環(huán)路干擾形成的原因1：兩個設(shè)備的地電位不同，形成地電壓，在這個電壓的驅(qū)動下，"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。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成干擾。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)備處在較強的電磁場中，電磁場在"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：一個是減小地線的阻抗，從而減小干擾電壓，但是這對第二種原因?qū)е碌牡丨h(huán)路沒有效果。另一個是增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無限大時，實際是將地環(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€路板與機箱斷開等是直接的方法。但出于靜電防護或安全的考慮，這種直接的方法在實踐中往往是不允許的。更實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。第三個方法是改變接地結(jié)構(gòu)，將一個機箱的地線連接到另一個機箱上，通過另一個機箱接地，這就是單點接地的概念。4公共阻抗耦合及對策當(dāng)兩個電路的地電流流過一個公共阻抗時，就發(fā)生了公共阻抗耦合，如圖2(a)所示。一個電路的地電位會受到另一個電路工作狀態(tài)的影響，即一個電路的地電位受另一個電路的地電流的調(diào)制，另一個電路的信號就耦合進了前一個電路。放大器級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：可以有兩個解決辦法，一個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。另一個辦法是功率放大電路單獨通過一根地線連接到電源，這實際是改成了并聯(lián)單點接地結(jié)構(gòu)，如圖2(d)所示。5接地策略信號地有圖3所示的幾種方式。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(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。最大好處是

9、沒有地環(huán)路，相對簡單。但地線往往過長，導(dǎo)致地線阻抗過大。多點接地：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。混合接地：在地線系統(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)單點接地。但是并聯(lián)單點接地往往由于地線過多，而沒有可實現(xiàn)性。因此，靈活的方案是，將電路按照信號特性分組，相互不會產(chǎn)生干擾的電路放在一組，一組內(nèi)的電路采用串聯(lián)單點接地，不同組的電路采用并聯(lián)單點接地。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)計開發(fā)中。從1881年初開始采用單根電纜為信號通道，大地為公共回路。這就是第一個接地問題。但是用大地作為信號回路會導(dǎo)致地回路中的過量噪聲和大氣干擾。為了解決這個問題，增加了信號回路線?，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，這些方法包括：1)單點接地：如圖1所示，單點接地是為許多在一起的電路提供公共電位參考點的方法，這樣信號就可以在不同的電路之間傳輸。若沒有公共參考點，就會出現(xiàn)錯誤信號傳輸。單點接地要求每個電路只接地一次，并且接在同一點。該點常常一地球為參考。由于只存在一個參考點，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)多點接地：如圖2所示，從圖中可以看出，設(shè)備內(nèi)電路都以機殼為參考點，而各個設(shè)備的機殼又都以地為參考點。這種接地結(jié)構(gòu)能夠提供較低的接地阻抗，這是因為多點接地時，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接地，并且要求每根接地線的長度小于信號波長的1/20。3)混合接地：混合接地既包含了單點接地的特性，又包含了多點接地的特性。例如，系統(tǒng)內(nèi)的電源需要單點接地，而射頻信號又要求多點接地，這時就可以采用圖3所示的混合接地。對于直流，電容是開路的，電路是單點接地，對于射頻，電容是導(dǎo)通的，電路是多點接地。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的波長相比很大)時，就存在通過機殼和電纜的作用產(chǎn)生干擾的可能性。當(dāng)發(fā)生這種情況時，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，要考慮兩個方面的問題，一個是系統(tǒng)的自兼容問題，另一個是外部干擾耦合進地回路，導(dǎo)致系統(tǒng)的錯誤工作。由于外部干擾常常是隨機的，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)的電源與機殼之間的絕緣電阻變小時，會導(dǎo)致電擊傷害。2)雷電接地：設(shè)施的雷電保護系統(tǒng)是一個獨立的系統(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。雷電放電接地僅對設(shè)施而言，設(shè)備沒有這個要求。3)電磁兼容接地：出于電磁兼容設(shè)計而要求的接地，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、電路輻射電場或?qū)ν饨珉妶雒舾?，必須進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線或電源線到地的旁路電容，當(dāng)濾波器不接地時，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)上的許多點與地相連，從而為干擾信號提供"最低阻抗"通道。*電路參考：電路之間信號要正確傳輸，必須有

14、一個公共電位參考點，這個公共電位參考點就是地。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)計要求時僅明確安全和雷電防護接地的要求，其它均隱含在用戶對系統(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)驗總結(jié)。典型的接地要求往往限制在所謂的"單點接地"上。通常在電路這一級上不專門提出對接地的具體要求，因為在這一層次上提出具體要求是不合適的。對數(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，要完成邏輯信號的產(chǎn)生、處理和波形整形是很容易的，但如果傳輸線過長或者參考點電位不正確的話，都會產(chǎn)生問題。我們要建立這樣的概念：接地并不是每個部分或每個系統(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，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)計接地點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：單點接地、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、機殼地(屏蔽地)、數(shù)字地(邏輯地)和模擬地等。在地線設(shè)計

16、中應(yīng)注意以下幾點：1.正確選擇單點接地與多點接地在低頻電路中，信號的工作頻率小于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)流對干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點接地。當(dāng)信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點接地。高頻電路宜采用多點串聯(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，如果采用一點接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點接地法。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，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時信號電平不穩(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)計只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時，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，因受接地線粗細的限制，會在地結(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)的兩個基本原則：第一個原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積；第二個原則是系統(tǒng)只采用一個參考面。在所有EMC問題中，主要問題是不適

18、當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號接地方法：單點、多點和混合。在頻率低于1MHz時可采用單點接地方法，但不適于高頻。在高頻應(yīng)用中，最好采用多點接地。混合接地是低頻用單點接地而高頻用多點接地的方法。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不能混合。當(dāng)設(shè)計高頻(f 10MHz)電路時就要采用多點接地了或者多層板(完整的地平面層)。模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地，因為數(shù)字信號變化速度快，從而在數(shù)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(shù)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(shù)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。

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)計后，對于一般信號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(qū)動共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設(shè)計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。火線地線零線首先用電分為動力用電和家用電.動力用電就是常說的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)過負載如電動機等用電設(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,但我們平時說的地線和零線不是一個概念.你看我們家里的三孔電源插座,如果是正規(guī)施工,其