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接地是電路系統設計中的一個很重要問題。目前,大多數數字電路都是以地為參考電壓(ECL電路以電源為參考電壓),只有所有的地都保持相同的電位,數字信號才能被正確的傳送和接收;此外,良好的接地對電磁場有很好的屏蔽作用,能釋放設備機殼上積累的大量的電荷,從而避免產生靜電放電效應。電子設備中地線結構大致有系統地、機殼地(屏蔽地)、數字地(邏輯地)和模擬地等,合理的應用接地技術,就能大大提高系統的抗干擾能力,減少EMI。接地的方式可以分為三種:單點接地,多點接地和混合接地。其中單點接地該可以分為串聯單點接地和并聯單點接地兩種(見圖1-8-7):
圖1-8-7
單點接地指所有電路的地線接到公共地線的同一點,以減少地回路之間的相互干擾。其中,串聯單點接地指所有的器件的地都連接到地總線上,然后通過總線連接到地匯接點(如圖1-8-8中a圖)。由于大家共用一根總線,會出現較嚴重的共模耦合噪聲,同時由于對地分布電容的影響,會產生并聯諧振現象,大大增加地線的阻抗,這種接法一般只用于低于1M的電路系統里。并聯單點接地指所有的器件的地直接接到地匯接點,不共用地總線(如圖1-8-8中b圖)??梢詼p少耦合噪聲,但是由于各自的地線較長,地回路阻抗不同,會加劇地噪聲的影響,同樣也會受到并聯諧振的影響,一般使用的頻率范圍是1M到10MHZ之間。實際的情況中可以靈活采用這兩種單點接地方式,比如,可以將電路按照信號特性分組,相互不會產生干擾的電路放在一組,一組內的電路采用串聯單點接地,不同組的電路采用并聯單點接地。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。總的來說,單點接地適用于較低的頻率范圍內,或者線長小于1/20波長的情況。
多點接地指系統內各部分電路就近接地,比如,設備內電路都以機殼為參考點,而各個設備的機殼又都以地為參考點。這種接地結構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;而且多根導線并聯能夠降低接地導體的總電感。在高頻電路中,瞬間開關時的電流很大,這就要求信號回路的電感很小,所以必須使用多點接地,每根接地線的長度小于信號波長的1/20。多層PCB設計時采用的接地方法就屬于多點接地?! ?/SPAN>
混合接地則是結合了單點接地和多點接地的綜合應用,一般是在單點接地的
基礎上再通過一些電感或電容多點接地(如圖1-8-9),它是利用電感、電容器件在不同頻率下有不同阻抗的特性,使地線系統在不同的頻率下具有不同的接地結構,主要適用于工作在混合頻率下的電路系統。比如對于電容耦合的混合接地策略中,在低頻情況時,等效為單點接地,而在高頻下則利用電容對交流信號的低阻抗特性,整個電路表現為多點接地。
接地技術中還有一個很重要的部分就是數字電路與模擬電路的共地處理,即電路板上既有高速邏輯電路,又有線性電路,如何降低數字信號和模擬信號間的相互干擾呢?一般說來,數字電路的頻率高,而模擬電路的對噪聲的敏感度強,正因為如此,高頻的數字信號線要盡可能遠離敏感的模擬電路器件,同樣,彼此的信號回路也要相互隔離,這就牽涉到模擬和數字地的劃分問題。一般的做法是,模擬地和數字地分離,只在某一點連接,這一點通常是在PCB板總的地線接口處,或者在數模轉換器的下方,必要時可以使用磁性元件(如磁珠)連接,如圖1-8-10:
要注意的是,在數?;旌想娐吩O計中不能讓模擬地和數字地交疊,這樣兩者會因為容性耦合而產生干擾噪聲。另外,任何信號線都不能跨越地間隙或是分割電源之間的間隙(如圖1-8-11),在這種情況下,地電流將會形成一個大的環路。流經大環路的高頻電流會產生輻射和很高的地電感,如果流過大環路的是低電平模擬電流,該電流很容易受到外部信號干擾,這些都會引起嚴重的EMI問題。
另外,也有一種統一地的處理方法,也就是不進行地分割,但規定各自的范圍,保證數字和模擬走線及回流不會經過對方的區域。這種策略一般實用于數模器件比例相當,并存在多個數模轉換器件的情況,有利于降低地平面的阻抗,參考地線設計如圖1-8-12所示:
在接地設計中還有個要點就是保證所有地平面等電位。因為如果系統存在兩個不同的電勢面,再通過較長的線相連的話就可能形成一個偶極天線,小型偶極天線的輻射能力大小與線的長度、流過的電流大小以及頻率成正比。所以要求同類地之間需要多個過孔緊密相連,而不同地(如模擬和數字地)之間的連接線也要盡量短一些。
由于數字電路對地信號的完整要求格外嚴格,所以數字地設計時要盡量減小
地線的阻抗,一般可以將接地線做成閉環路以縮小電位差,提高電子設備的抗噪聲能力。而對于較低頻的模擬信號來說,考慮更多的是避免回路電流之間的互相干擾,所以不能接成閉環。