在設計一個產(chǎn)品時，在設計期間就考慮到接地是最經(jīng)濟的方法。一個設計良好的接地系統(tǒng)，不僅從PCB，而且能從系統(tǒng)的角度防止輻射和進行系敏感度的防護。

 

 有關接地系統(tǒng)所關心的重要領域包括：

①通過對高頻元件的仔細布局，減小電流環(huán)路的面積或使其極小化。

②對PCB或系統(tǒng)分區(qū)時，使高帶寬的高頻電路與低頻電路分開。

③設計PCB或系統(tǒng)時，使干擾電流不通過公共的接地回路影響其他電路。

④仔細選擇接地點以使環(huán)路電流，接地阻抗及電路的轉(zhuǎn)移阻抗最小。

⑤把通過接地系統(tǒng)的電流考慮為注入或從電路中流出的噪聲。

⑥把非常敏感的（低噪聲容限）的電路連接到一穩(wěn)定的接地參考源上。

 

首先了解一下接地的分類及相關定義，根據(jù)接地的作用不同，將設備的“地”分成以下3大類： 

 

工作地

 

工作接地是為電路正常工作而提供的一個基準電位。該基準電位可以設為電路系統(tǒng)中的某一點、某一段或某一塊等。當該基準電位不與大地連接時,視為相對的零電位。這種相對的零電位會隨著外界電磁場的變化而變化,從而導致電路系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。當該基準電位與大地連接時,基準電位視為大地的零電位而不會隨著外界電磁場的變化而變化。

 

根據(jù)電路的性質(zhì)，將工作接地分為不同的種類，比如直流地、交流地、數(shù)字地、模擬地、信號地、功率地、電源地等。上述不同的接地應當分別設置。 

 

這里重點介紹信號地和功率地： 

 

信號地是各種物理量的傳感器和信號源零電位的公共基準地線。信號地的較好定義是信號流回源的一個低阻抗路徑。這個定義突出了電流的流動。當電流流過有限阻抗時，必然會導致電壓降，因此這個定義反映了實際地線上的電位情況。

 

功率地是負載電路或功率驅(qū)動電路的零電位的公共基準地線。由于負載電路或功率驅(qū)動電路的電流較強、電壓較高，所以功率地線上的干擾較大。因此功率地必須與其它弱電地分別設置。 

 

安全地

 

安全接地即將機殼接大地。一是防止機殼上積累電荷，產(chǎn)生靜電放電而危及設備和人身安全；二是當設備的絕緣損壞而使機殼帶電時，促使電源的保護動作而切斷電源，以便保護工作人員的安全。

 

有時，為防止雷擊而設置避雷針,以防止雷擊時危及設備和人身安全。為安全考慮,要直接接在大地上。

 

出于電磁兼容需要接地

 

除了設備工作和安全保護之外，有時設計人員對設備還需要采取一些措施，比如屏蔽、濾波等，這些也是需要接地的，因此有時還用到下面的地。

 

（1）屏蔽接地：電路之間由于寄生電容必須進行必要的隔離和屏蔽，提供給這些隔離和屏蔽的金屬的地線。屏蔽與接地應當配合使用，才能起到屏蔽的效果。屏蔽接地主要包括電路的屏蔽罩接地、電纜的屏蔽層接地和系統(tǒng)的屏蔽體接地。

 

（2）濾波接地：濾波器中一般都包含信號線和電源線到地的旁路電容，提供給這些旁路電容的接地，如果不接地，這些旁路電容就出于懸浮狀態(tài)，起不到旁路的作用。

 

（3）噪聲和干擾抑制：對內(nèi)部噪聲和外部干擾的控制需要設備和系統(tǒng)上的許多點與地相連，從而為干擾信號提供最低阻抗的通道。

 

（4）靜電接地：非導電用的導體器件接地，泄放靜電和防止接受無線電波再發(fā)射。 

 

根據(jù)上述的接地分類情況，我們發(fā)現(xiàn)其實接地的真正功能主要有兩個，那就是提供安全和信號“零電位”兩種作用，因此可以更通俗易懂的將接地分為“安全地”和“信號地”兩種。安全地是為了設備電氣安全，一般與大地相連，保證接地的設備與大地處于同一個電位；信號地是為了電路能夠正常工作，不一定與大地相連接，可以是任何定義為電位參考點的位置。

 

8.1.3  接地方式

 

接地沒有一個很系統(tǒng)的理論或模型，人們在考慮接地時只能依靠他過去的經(jīng)驗或從書上看到的經(jīng)驗。接地的方法很多，具體使用那一種方法取決于系統(tǒng)的結構和功能。接地的方式可以分為三種：單點接地，多點接地和混合接地。其中單點接地可以分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地兩種，如圖所示。

 

 

信號接地方式

 

單點接地 

 

單點接地連接是指在產(chǎn)品的設計中，接地線路與單獨一個參考點相連，該點常常以地球為參考，如圖所示。

 

單點接地要求每個電路只接地一次，并且接在同一點，并設置一個安全接地螺栓，防止來自兩個不同子系統(tǒng)( 有不同的參考電平) 中的電流與射頻電流經(jīng)過同樣的返回路徑，從而導致共阻抗耦合。

 

為防止工頻和其它雜散電流在信號地線上產(chǎn)生干擾，信號地線應與功率地線和機殼地線相絕緣。且只在功率地、機殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連（浮地式除外）。 

 

單點接地

 

工作頻率低（<1MHz）的采用單點接地式，這意味著分布傳輸阻抗的影響是極小的。

 

單點接地有兩種類型，一種是串聯(lián)單點接地，另一種是并聯(lián)單點接地。如圖8-3所示。

 

單點接地的分類

 

 

 

串聯(lián)單點接地的干擾：

 

 

從公式中可以看出，A、B、C各點的電位是受電路工作電流影響的，隨各電路的地線電流而變化。尤其是C點的電位，十分不穩(wěn)定。

 

串聯(lián)接地是一個串級鏈結構，這種結構允許各個子系統(tǒng)的接地參考之間公共阻抗耦合，會出現(xiàn)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(chǎn)生并聯(lián)諧振現(xiàn)象，大大增加地線的阻抗。

 

這種接地方式雖然有很大的問題，卻是實際中最常見的，因為它十分簡單。如果存在多種不同功率等級的電路，那么就不能采用這種接地技術，因為大功率電路產(chǎn)生大的回地電流，將影響低功率器件和電路。如果說一定要采取這種接地方法，那么最敏感的電路必須直接設置在電源輸入位置處（A點），這點電位是最穩(wěn)定的，并且盡量遠離低功率器件和電路。另外，從前面討論的放大器情況知道，功率輸出級要放在A點，前置放大器放在B、C點。

 

解決這個問題的方法是并聯(lián)單點接地。并聯(lián)單點接地即所有的器件的地直接接到地匯接點，然而并聯(lián)單點接地需要較多的導線，而且因為每個電流返回路徑可能有不同的阻抗而導致接地噪聲電壓的加劇。當多個印刷電路板采用這種并行方式連接到一起時，產(chǎn)品不能通過輻射檢驗。設計者在使用這種布局時，應使每條回地路徑上的電感值大致相同（實際很難做到），從而對電路運行的影響不會出現(xiàn)多諧振。

 

實際的情況中可以靈活采用這兩種單點接地方式，比如如圖8-4所示，可以將電路按照特性分組，相互之間不易發(fā)生干擾的電路放在同一組，相互之間容易發(fā)生干擾的電路放在不同的組。組內(nèi)采用串聯(lián)單點接地，不同組的接地采用并聯(lián)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。但是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。

 

并聯(lián)串聯(lián)單點接地的混合方案

 

使用單點接地技術，除了射頻輻射耦合外，也可能發(fā)生串擾，這取決于電流返回路徑之間物理間距的大小。串擾存在的程度取決于返回信號的頻率范圍，高頻元件比低頻元件的輻射更嚴重。

 

單點接地技術常見于音頻電路、模擬設備、工頻及直流電源系統(tǒng)，還有塑料封裝的產(chǎn)品。雖然單點接地技術通常在低頻采用，但有時它也應用于高頻電路或系統(tǒng)中，當設計者們清楚不同的接地結構中存在的所有有關電感的問題時，這種應用是可行的。

 

多點接地

 

多點接地就是所有電路的地線接到公共地線的不同點，一般電路就近接地。

 

如圖所示，設備內(nèi)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。在這種接地的方式的缺點是形成各種地線回路，造成地環(huán)路干擾，這對設備內(nèi)同時使用的具有較低頻率的電路會產(chǎn)生不良影響。

 

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(tǒng)中，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路），為了減小電感，要求地線的長度盡量短，在頻率很高的系統(tǒng)中，通常接地線要控制在幾毫米的范圍內(nèi)。每根接地線的長度小于信號波長的1/20。

 

多點接地的公共阻抗耦合問題

 

 

多點接地時容易產(chǎn)生公共阻抗耦合問題。在低頻的場合，通過單點接地可以解決這個問題。但在高頻時，只能通過減小地線阻抗（減小公共阻抗）來解決。在導體表面鍍銀能夠降低導體的電阻，如圖所示。

 

通用的經(jīng)驗法則是，對于低于1MHz 的頻率來說，優(yōu)選單點接地。假設信號是上升沿長、頻率低的信號，頻率介于1MHz 到10MHz 之間，這時也只有當最長的走線或接地引線長小于波長的1/20 時，才可用單點接地，而且每條走線的線長都應考慮在內(nèi)。多點接地可以減少噪音產(chǎn)生電路與0V 參考點之間的電感，原因是存在許多并行RF 電流回路，即使在0 V 參考點上有許多并聯(lián)接地線，仍舊可能會在兩個接地引線之間產(chǎn)生接地環(huán)路。這些接地環(huán)路容易感應ESD磁場能量或者容易產(chǎn)生EMI 輻射。

 

混合接地

 

混合接地則是結合了單點接地和多點接地的綜合應用，既包含了單點接地的特性，又包含了多點接地的特性。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8－7所示），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(tǒng)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(tǒng)。比如對于電容耦合的混合接地策略中，在低頻情況時，對于直流，電容是開路的，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，電容是導通的，整個電路表現(xiàn)為多點接地。

 

混合接地

 

頻率在1MHz～10MHz之間，采用混合接地。

 

當許多相互連接的設備體積很大（設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。

 

混合接地系統(tǒng)在不同的頻率呈現(xiàn)不同的接地結構。

 

 

 

 

混合接地舉例

 

圖a是一個系統(tǒng)工作在低頻狀態(tài)，系統(tǒng)串聯(lián)單點接地。但這個系統(tǒng)暴露在高頻強電場中，因此屏蔽電纜需要雙端接地。所以，對于電纜中傳輸?shù)牡皖l信號，系統(tǒng)是單點接地的，而對于電纜屏蔽層中感應的高頻干擾信號，系統(tǒng)是多點接地的。接地電容的容量一般在10nF以下，取決于需要接地的頻率。要注意電容的諧振問題，在諧振點電容的容抗最小。

 

圖b所示的是一個系統(tǒng)受到地環(huán)路電流的干擾。如果將設備的安全地斷開，地環(huán)路就被切斷，可以解決地環(huán)路電流干擾。但是出于安全的考慮，機箱必須接到安全地上。所以，對于頻率較高的地環(huán)路電流，地線是斷開的，而對于50Hz的交流電，機箱都是可靠接地的。

 

浮地

 

浮地就是不接大地，設備地線系統(tǒng)在電氣上與殼體構件的接大地系統(tǒng)相互絕緣，如圖8－9所示，是一種懸浮的方式。其目的是將電路或設備與公共地或可能引起環(huán)流的公共導線隔離開來，從而抑制來自接地線的干擾。其優(yōu)點是該電路不受大地電性能的影響；其缺點是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的感應干擾，因此浮地的效果不僅取決于浮地的絕緣電阻的大小，而且取決于浮地的寄生電容的大小和信號的頻率；由于設備不與大地直接相連，容易出現(xiàn)靜電積累現(xiàn)象，這樣積累起來的電荷達到一定程度后，在設備和大地之間會產(chǎn)生具有強大放電電流的靜電擊穿現(xiàn)象，這是一種破壞性很強的干擾源。為此，在采用浮地方式時，應在設備與大地之間接一個電阻值很大的泄放電阻，以消除靜電積累的影響。

 

浮地方式

 

采用浮地的設備，單元容易受空間耦合干擾，注意采用電磁屏蔽技術。

 

模擬電路接地

 

許多模擬電路工作在低頻狀態(tài)下，對于這些靈敏的電路，單點接地是最好的接地方式。接地的主要目的是防止來自其它噪聲元件( 如數(shù)字邏輯器件、電動機、電源、繼電器) 的大接地電流爭用敏感的模擬地線。模擬接地所要求的無噪聲度依賴于模擬輸入的靈敏度。例如，

 

 

對于低電平的模擬放大器，要求10 μ V 輸入信號的會比要求1 0 V 輸入信號的更易受干擾。

 

數(shù)字電路接地

 

在高速數(shù)字電路中優(yōu)先使用多點接地。它的主要目的是建立一個統(tǒng)一電位共模參考系統(tǒng)。許多數(shù)字環(huán)路并不會要求具有濾波作用的接地參考源。數(shù)字電路具有幾百毫伏的噪聲容限，并且能夠承受數(shù)十到數(shù)百毫伏的接地噪聲梯度。

 

對于只有數(shù)字電路組成的印刷板的地線系統(tǒng),將接地線做成閉合環(huán)路, 縮小電位差值，可以明顯提高抗干擾能力。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(huán)。

 

電源線的布置要根據(jù)電流的大小盡量加粗走線寬度。在布線工作的最后,用地線將電路板沒有走線的地方鋪滿(大面積) 。在接地時還需要避免共阻抗路徑,如圖8－10所示穩(wěn)壓器電路的“調(diào)整端的取樣點”或“公共點”,千萬不能接在有負載電流流過的輸出線和公共地線上如圖(a)所示,應從管腳’根部’單獨另外用引線引出如圖(b)所示。

 

避免共阻抗路徑

 

 

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