【电磁兼容】02 信号接地设计
2023/3/8 14:03:51 点击：
今天我们来讲一讲电路设计中的接地问题。
在电气系统中，接地涉及到两个概念，一个是安全接地，一个是信号接地；前者一般是在强电设备中，外壳接地防止人触电的；后者是电路中信号的回流路径。这里我们主要讲信号接地，关于安全接地的内容我们以后再讲解。
见下图，假设在印制板的顶层有一个电路，源端发出信号，通过导线连接负载，而地平面在印制板的底层，电路通过过孔A和B连接到底层的地平面：
信号的电流I从源端，通过B到地，从地平面再通过A到负载，最后回到源的负端。电流走过的路径是一个完整的环路。它本质上就是电流流过的环形路径。
回顾一下我们了解的电磁感应现象：如果一个环形线圈围成的面积中，有变化的磁场穿过，那么线圈中会感应出电流。而在周围的电路工作时，变化的电场和磁场不可避免，环路中感应出来的电流是有害的干扰。因此，尽量减少电路的环路面积，就能减少这部分干扰。
在低频电路中，如下图所示，电流会沿着电阻最小的路径流动：
于是，我们只要在布线时使得整个环路围成的面积尽量小即可（可以移动过孔的位置，也可以移动顶层器件的位置，减小走线长度）。
而在高频时，情况有所不同，如下图所示，电流会沿着最小电感的路径流动，是在顶层导线正对的相邻层的路径：
此时，只要地平面与信号层相邻，而且是完整的，就是较小的环路面积。我们需要做的，就是不要在它电流流经的路径上将地层分断。
下图是单点接地和多点接地的形式：
图示可以看出，多点接地就是每个电路单元直接接到地平面上，而单点接地是各电路单元的地先连接到一起，再通过一点连接到地平面上。那么单点接地和多点接地有什么区别，各用在什么场合呢？
我们知道，接地线也是一根导线，可以等效成下面的形式：电阻和电感串联。
信号的频率越高，则电感L产生的感抗也越大，当线长为1/4波长时的奇数倍时则会形成更严重的天线效应，接地阻抗会非常高。因此，在这种情况下，要使得电路的地就近接到地平面上（接地线越短等效的L越小），就适合使用多点接地。在信号频率高于100kHz时，或者涉及数字电路时，建议电路模块就近接地，以使得接地的阻抗最小。接地线长一般要小于1/20波长。
而在低频信号的电路中，为了方便减小地线环路，则更推荐使用单点接地。当然，如果某部分电路的电流很大，在接地电阻R上的压降也不可忽略时，最好不要和其他电路公用地线。
当电路中既有高频和低频时，可以使用混合接地的方式，如下图是一种实现混合接地的方式，低频电路通过导线接地，而高频电路的信号可以就近通过电容耦合到地：
1、2、3三个电路通过串联形式单点接地，接地线各段的电阻为R1、R2、R3。
此时A点电位为Va=（I1+I2+I3）*R1，
而C点电位为Vc=Va+（I2+I3）*R2 + I3*R3，
可以看出A和C两点的电位是不同的，也就是说这个系统中，各电路实际接地点的电位是不同的！
也容易看出，电路3的接地点电位，会受到电路1的影响，也就是说，电路的接地点电位是会受到其他电路影响的！这个问题可以更换接法解决，换成并联式的单点接地方法，可以去除其他电路对本电路的电位影响。
另一个共阻抗耦合的例子见下图，容易看出，有一段公共接地线时，负载RL1和负载RL2上的信号，都不再是单独的VS1或VS2，通过公共接地线的阻抗Zg产生了耦合：
这种耦合需要尽量减少接地阻抗来解决。
假设有两个相隔较远的系统要传输信号，两个系统各自就近接地，而且内部的电路都不是浮地设计，那么大地和系统的信号线就形成了一个大环路。
这个系统中可能有多种干扰源：两个接地点电位不同而产生的电压差VG，可能随着周边电器运转时大地中的电流变化而变化；地环路容易受到外部变化磁场的干扰；在低频时信号会有多个返回路径……
此时，由于两个系统相隔较远，减小接地阻抗的方法已经不太适用；而如果信号是高频信号，则不能通过单点接地来解决。此时有以下几种解决方法：
A）采用光耦、变压器来隔离传输的信号，则地线环路被切断；
B）采用共模扼流圈串在传输路径上，由于共模扼流圈对差模信号无影响，只隔离共模信号，可以去除地线环路产生的共模干扰；
C）采用差分传输，接收端只识别差分信号，而忽略共模信号。
好了，本节的内容就讲到这里了。
在电气系统中，接地涉及到两个概念，一个是安全接地，一个是信号接地；前者一般是在强电设备中，外壳接地防止人触电的；后者是电路中信号的回流路径。这里我们主要讲信号接地，关于安全接地的内容我们以后再讲解。
1.减少接地环路面积
见下图，假设在印制板的顶层有一个电路，源端发出信号，通过导线连接负载，而地平面在印制板的底层，电路通过过孔A和B连接到底层的地平面：
信号的电流I从源端，通过B到地，从地平面再通过A到负载，最后回到源的负端。电流走过的路径是一个完整的环路。它本质上就是电流流过的环形路径。
回顾一下我们了解的电磁感应现象：如果一个环形线圈围成的面积中，有变化的磁场穿过，那么线圈中会感应出电流。而在周围的电路工作时，变化的电场和磁场不可避免，环路中感应出来的电流是有害的干扰。因此，尽量减少电路的环路面积，就能减少这部分干扰。
在低频电路中，如下图所示，电流会沿着电阻最小的路径流动：
于是，我们只要在布线时使得整个环路围成的面积尽量小即可（可以移动过孔的位置，也可以移动顶层器件的位置，减小走线长度）。
而在高频时，情况有所不同，如下图所示，电流会沿着最小电感的路径流动，是在顶层导线正对的相邻层的路径：
此时，只要地平面与信号层相邻，而且是完整的，就是较小的环路面积。我们需要做的，就是不要在它电流流经的路径上将地层分断。
2.单点接地和多点接地
下图是单点接地和多点接地的形式：
图示可以看出，多点接地就是每个电路单元直接接到地平面上，而单点接地是各电路单元的地先连接到一起，再通过一点连接到地平面上。那么单点接地和多点接地有什么区别，各用在什么场合呢？
我们知道，接地线也是一根导线，可以等效成下面的形式：电阻和电感串联。
信号的频率越高，则电感L产生的感抗也越大，当线长为1/4波长时的奇数倍时则会形成更严重的天线效应，接地阻抗会非常高。因此，在这种情况下，要使得电路的地就近接到地平面上（接地线越短等效的L越小），就适合使用多点接地。在信号频率高于100kHz时，或者涉及数字电路时，建议电路模块就近接地，以使得接地的阻抗最小。接地线长一般要小于1/20波长。
而在低频信号的电路中，为了方便减小地线环路，则更推荐使用单点接地。当然，如果某部分电路的电流很大，在接地电阻R上的压降也不可忽略时，最好不要和其他电路公用地线。
当电路中既有高频和低频时，可以使用混合接地的方式，如下图是一种实现混合接地的方式，低频电路通过导线接地，而高频电路的信号可以就近通过电容耦合到地：
3.地线上的阻抗耦合
1、2、3三个电路通过串联形式单点接地，接地线各段的电阻为R1、R2、R3。
此时A点电位为Va=（I1+I2+I3）*R1，
而C点电位为Vc=Va+（I2+I3）*R2 + I3*R3，
可以看出A和C两点的电位是不同的，也就是说这个系统中，各电路实际接地点的电位是不同的！
也容易看出，电路3的接地点电位，会受到电路1的影响，也就是说，电路的接地点电位是会受到其他电路影响的！这个问题可以更换接法解决，换成并联式的单点接地方法，可以去除其他电路对本电路的电位影响。
另一个共阻抗耦合的例子见下图，容易看出，有一段公共接地线时，负载RL1和负载RL2上的信号，都不再是单独的VS1或VS2，通过公共接地线的阻抗Zg产生了耦合：
这种耦合需要尽量减少接地阻抗来解决。
4.减少地线环路影响
假设有两个相隔较远的系统要传输信号，两个系统各自就近接地，而且内部的电路都不是浮地设计，那么大地和系统的信号线就形成了一个大环路。
这个系统中可能有多种干扰源：两个接地点电位不同而产生的电压差VG，可能随着周边电器运转时大地中的电流变化而变化；地环路容易受到外部变化磁场的干扰；在低频时信号会有多个返回路径……
此时，由于两个系统相隔较远，减小接地阻抗的方法已经不太适用；而如果信号是高频信号，则不能通过单点接地来解决。此时有以下几种解决方法：
A）采用光耦、变压器来隔离传输的信号，则地线环路被切断；
B）采用共模扼流圈串在传输路径上，由于共模扼流圈对差模信号无影响，只隔离共模信号，可以去除地线环路产生的共模干扰；
C）采用差分传输，接收端只识别差分信号，而忽略共模信号。
好了，本节的内容就讲到这里了。
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