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  • 单点接地
    2020-12-31 12:06:15

    印制电路板,又称印刷电路板,以绝缘板为基材,切成一定尺寸,其上至少附有一个导电图形,并布有孔(如元件孔、紧固孔、金属化孔等),用来代替以往装置电子元器件的底盘,并实现电子元器件之间的相互连接。

    pcb板单点接地就是一点一点接地,接地是电路系统设计中的一个很重要问题。目前,大多数数字电路都是以地为参考电压(ECL电路以电源为参考电压),只有所有的地都保持相同的电位,数字信号才能被正确的传送和接收;此外,良好的接地对电磁场有很好的屏蔽作用,能释放设备机壳上积累的大量的电荷,从而避免产生静电放电效应。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等,合理的应用接地技术,就能大大提高系统的抗干扰能力,减少EMI。 接地的方式可以分为三种:单点接地,多点接地和混合接地。

    单点接地指所有电路的地线接到公共地线的同一点,以减少地回路之间的相互干扰。其中,串联单点接地指所有的器件的地都连接到地总线上,然后通过总线连接到地汇接点。由于大家共用一根总线,会出现较严重的共模耦合噪声,同时由于对地分布电容的影响,会产生并联谐振现象,大大增加地线的阻抗,这种接法一般只用于低于1M的电路系统里。并联单点接地指所有的器件的地直接接到地汇接点,不共用地总线(如图1-8-8中b图)。可以减少耦合噪声,但是由于各自的地线较长,地回路阻抗不同,会加剧地噪声的影响,同样也会受到并联谐振的影响,一般使用的频率范围是1M到10MHZ之间。实际的情况中可以灵活采用这两种单点接地方式,比如,可以将电路按照信号特性分组,相互不会产生干扰的电路放在一组,一组内的电路采用串联单点接地,不同组的电路采用并联单点接地。这样,既解决了公共阻抗耦合的问题,又避免了地线过多的问题。总的来说,单点接地适用于较低的频率范围内,或者线长小于1/20波长的情况。

    接地技术中还有一个很重要的部分就是数字电路与模拟电路的共地处理,即电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢?一般说来,数字电路的频率高,而模拟电路的对噪声的敏感度强,正因为如此,高频的数字信号线要尽可能远离敏感的模拟电路器件,同样,彼此的信号回路也要相互隔离,这就牵涉到模拟和数字地的划分问题。一般的做法是,模拟地和数字地分离,只在某一点连接,这一点通常是在PCB板总的地线接口处,或者在数模转换器的下方,必要时可以使用磁性元件(如磁珠)连接

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    单点接地要解决的问题就是针对“公共地阻抗耦合”和“低频地环路”。

    多点接地是针对“高频所容易通过长地走线产生的共模干扰”。

    低频电路中,信号的工作频率小于 1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。

    当信号工作频率大于 10MHz 时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。

    当工作频率在 1~10MHz 时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的 1/20,否则应采用多点接地法。

    数字地与模拟地之间单点接地,数字地之内多点接。

    地线干扰与地线设计

    地线设计是电磁兼容设计中大家都很注意,却又不知道应该怎样去做的一个问题。了解了地线造成干扰问题的机理之后,在设计和实施地线时就有了一个明确的思路。本期从介绍地线造成干扰的原理入手,使读者了解设计地线的关键和原则。

    什么是地线:

    地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线,后者是为了保证电路正确工作所设置的地线。造成电路干扰现象的主要是信号地,因此这里仅讨论信号地的问题。

    信号地的一般定义是:电路的电位参考点。更恰当地说,这个定义是我们设计电路时的一个假设。从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。

    地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。既然地线是电流的一个路径,那么根据欧姆定律,地线上是有电压的;既然地线上有电压,说明地线不是一个等电位体。这样,我们在设计电路时,关于地线电位一定的假设就不再成立,因此电路会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。

    地线的阻抗有多大:

    一个难以理解的问题是,我们在设计地线时,都使地线的电阻很小,那么地线上的电位差怎么会大到导致电路出错的程度。

    理解这个问题,要理解地线阻抗的组成。

    地线的阻抗 Z 由电阻部分和感抗部分两部分组成,即:Z = RAC + jωL。

    电阻成分:导体的电阻分为直流电阻 RDC 和交流电阻 RAC。对于交流电流,由于趋肤效应,电流集中在导体的表面,导

    致实际电流截面减小,电阻增加,直流电阻和交流电阻的关系如下:

    RAC= 0.076rf1/2RDC

    式中:r=导线的半径,单位 cm,f=流过导线的电流频率,单位 Hz, RDC= 导线的直流电阻,单位 Ω。

    电感成分:任何导体都有内电感(这区别于通常讲的外电感,外电感是导体所包围的面积的函数),内电感与导体所包围的面积无关。对于圆截面导体如下:

    L=0.2S[ln(4.5/d) -1] (μH)

    式中 S=导体长度(m),d=导体直径(m)

    说明了直流电阻与交流阻抗的巨大差异。频率很低时的阻抗可以认为是导体的电阻,从表中可以看出,随着频率升高,阻抗增加很快,当频率达到 100MHz 以上时,直径 6.5mm 长度仅为 10cm 的导线也有数十欧姆的阻抗。

    地环路干扰及对策:

    地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是设备之间的地线电位差。地线电压导致了地环路电流,由于电路的非平衡性,地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。

    由于地环路干扰是由地环路电流导致的,因此在实践中,有时会发现,当将一个设备的地线断开时,干扰现象消失,这是因为地线断开时,切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合,当干扰频率高时,短开地线与否关系不大。

    地环路干扰形成的原因 :

    1. 两个设备的地电位不同,形成地电压,在这个电压的驱动下,“设备 1-互联电缆-设备 2- 地”形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成干扰。地线上的电压是由于其他功率较大的设备也用这段地线,在地线中引起较强电流,而地线又有较大阻抗产生的。

    2. 由于互联设备处在较强的电磁场中,电磁场在“设备 1 - 互联电缆 - 设备 2 - 地”形成的环路中感应出环路电流,与原因 1 的过程一样导致干扰。

    3. 解决地环路干扰的方法:解决地环路干扰的基本思路有三个:一个是减小地线的阻抗,从而减小干扰电压,但是这对第二种原因导致的地环路没有效果。另一个是增加地环路的阻抗,从而减小地环路电流。当阻抗无限大时,实际是将地环路切断,即消除了地环路。例如将一端的设备浮地、或将线路板与机箱断开等是直接的方法。但出于静电防护或安全的考虑,这种直接的方法在实践中往往是不允许的。更实用的方法是使用隔离变压器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡电路等方法。第三个方法是改变接地结构,将一个机箱的地线连接到另一个机箱上,通过另一个机箱接地,这就是单点接地的概念。

    公共阻抗耦合及对策

    当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时,就发生了公共阻抗耦合。一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响,即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制,另一个电路的信号就耦合进了前一个电路。

    放大器级间公共地线耦合问题:图 2(a) 中的放大器,由于前置放大电路与功率放大电路共用一段地线,功率放大电路的地线电流很大,因此在地线上产生了较大的地线电压 V。这个电压正好在前置放大电路的输入回路中,如果满足一定的相位关系,就形成了正反馈,造成放大器自激。

    解决办法:可以有两个解决办法,一个是将电源的位置改变一下,使它*近功率放大电路,这样,就不会有较大的地线电压落在前置放大电路的输入回路中了。另一个办法是功率放大电路单独通过一根地线连接到电源,这实际是改成了并联单点接地结构。

    接地策略:

    单点接地:所有电路的地线接到公共地线的同一点,进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。最大好处是没有地环路,相对简单。但地线往往过长,导致地线阻抗过大。

    多点接地:所有电路的地线就近接地,地线很短,适合高频接地。问题是存在地环路。

    混合接地:在地线系统内使用电感、电容连接,利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性,使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。

    串联单点接地容易产生公共阻抗耦合的问题,解决的方法是采用并联单点接地。但是并联单点接地往往由于地线过多,而没有可实现性。因此,灵活的方案是,将电路按照信号特性分组,相互不会产生干扰的电路放在一组,一组内的电路采用串联单点接地,不同组的电路采用并联单点接地。

    文章来源:网络

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    印刷电路板对信号接地设计的设计至关重要。如接地设计不当,则PCB电路板在使用的过程中就会产生接地噪声及电磁辐射,从而对产品的整体电气性能产生重大影响。

    因此,小编特邀约了奔强电路的技术大牛从单点接地、多点接地、混合接地、模拟电路接地、数字电路接地等诸多方面向您介绍了PCB印刷电路板接地中的设计思路、设计方法与技巧。可谓诚意满满,干货多多。

    由于篇幅所限,今天我们就先聊聊线路板中的单点接地的设计方法。

    单点接地连接是指在PCB产品的设计过程中,接地线路与单独一个参考点相连。这种严格的接地设置的目的是为了防止来自两个不同的子系统中( 有不同的参考电平)的电流与射频电流经过同样的返回路径,从而导致共阻抗耦合。

    当元件、电路、互连等都工作在1MHz 或更低的频率范围内时,采用单点接地技术是最好的,这意味着分布传输阻抗的影响是最小的。当处于较高频率时,返回路径的电感会变得不可忽视。当频率更高时,电源层和互连走线的阻抗更显著,如果线路长度是信号1/4波长的奇数倍(该波长依据周期信号上升沿速率确定),这些阻抗就可以变得非常大。在电流返回路径中存在有限阻抗,就会产生电压降,随之就产生了不希望有的射频电流。这在PCB高频电路板中表现尤为突出。

    由于RF时阻抗影响显著,这些走线和接地导体就像环形天线一样工作,辐射能量的大小取决于环路的大小。一个卷曲的环路,不管其形状如何,依然是一个天线。就是由于这个原因,当频率高于1MHz时通常不再采用单点接地技术。在下图一中,展示了单点接地技术的两种方式:串联接地和并联接地。串联接地是一个串级链结构,这种结构允许各个子系统的接地参考之间共阻抗耦合。当频率高于1MHz时这是不合理的。这个图只画出了接地线路中的电感,而分布电容在这3个接地电路中也是存在的。当电感和电容同时存在时,就会产生谐振。对于这种结构,可能有3种不同的谐振。

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    对于串联接地来说,通过最后返回路径L 1的总电流是I 1+I2+I3 I1(V A)和I 3(V c)的电压也不是零,而是由下面的式子来定义的 VA=(I 1+I2+I3)ωL 1

    Vc=(I 1+I2+I3)ωL 1+(I 2+I3)ω L2+(I 3)ωL 3

    对于这种广泛采用的结构来说,很大的电流在有限阻抗上会产生一个电压降。电路和基准结构之间的电压参考值可能足够使系统不能如预期的那样工作。

    在PCB线路板设计阶段,设计者必须注意到采用单点接地的串联接地技术中所隐藏的问题。如果存在多种不同功率等级的电路,那么就不能采用这种接地技术,因为大功率电路产生大的回地电流,将影响低功率器件和电路。如果说一定要采取这种接地方法,那么最敏感的电路必须直接设置在电源输入位置处,并且尽量远离低功率器件和电路。

    更好的单点接地方法是并联接地。然而使用这种方式有一个缺点,那就是因为每个电流返回路径可能有不同的阻抗而导致接地噪声电压的加剧。如果多个印刷电路板组合使用,或在一个最终产品中使用多个子组合体,那么某一条回路或许会很长,特别是如果这些线用互连的方式使用。这些地线也许还会存在一个很大的阻抗,这就会损坏低阻接地连接的期望效果。

    当多个印刷电路板采用这种并行方式连接到一起时,原以为严格接地会解决问题,但事实证明产品不能通过辐射检验。像串联连接一样,在每个电路到地中也存在分布电容,设计者在使用这种布局时,应使每条回地路径上的电感值大致相同,虽然实际情况很难做到。这样,每个电路与地之间的谐振就应该是大致相同的,从而对电路运行的影响不会出现多谐振。使用单点接地技术的另一个问题是辐射耦合。这种现象可能会在导线之间,导线与印刷电路板之间或者导线与外壳之间产生。除了射频辐射耦合外,也可能发生串扰,这取决于电流返回路径之间物理间距的大小。这种耦合可能以电容也可能以电感的形式发生。串扰存在的程度取决于返回信号的频率范围,高频元件比低频元件的辐射更严重。

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    奔强电路5G高频PCB线路板

    单点接地技术常见于音频电路、模拟设备、工频及直流电源系统,还有塑料封装的产品。虽然单点接地技术通常在低频采用,但有时它也应用于PCB高频电路板或系统中,当设计者们清楚不同的接地结构中存在的所有有关电感的问题时,这种应用是可行的。

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  • 关于单点接地和多点接地的问题

    千次阅读 2020-03-30 19:28:06
    最近在买到的一块板子上看到了单点接地的做法,之前绘制的PCB大多是单纯的单片机数字电路,通常直接铺铜完事,最多再考虑一下地平面的完整性,处理一下碎铜,所以借此机会学习一下相关知识。 单点接地所要解决的问题...

    最近在买到的一块板子上看到了单点接地的做法,之前绘制的PCB大多是单纯的单片机数字电路,通常直接铺铜完事,最多再考虑一下地平面的完整性,处理一下碎铜,所以借此机会学习一下相关知识。
    单点接地所要解决的问题就是针对公共地阻抗耦合低频地环路,而多点接地是针对高频容易通过长地走线而产生的共模干扰

    什么是地线

    地线分为安全地和信号地,安全地用于保证使用者人身安全,信号地用于保证电路正常工作。造成电路干扰的主要是信号地

    信号地

    信号地的一般定义是:电路的电位参考点。而这只是我们对电路工作状态的“假设”。
    地线也是导线,电流游走在导线上服从欧姆定律,既然这样,地线不是一个等点位体,不同位置存在压差。电路的“电位参考点”偏离了我们最初的设计所造成的错误就是地线干扰的实质。

    地线的阻抗

    “地线要加粗”,老师一直这样教导我们,而我们也一直视作金科玉律,不明所以但一丝不苟地照做。地线地电阻很小,那么为什么底线上的电位差会大到让电路出错的程度?
    地线的阻抗Z是由阻抗和感抗部分组成。
    Z = RAC + jωL

    地线的交流阻抗

    导体的电阻分为直流电阻RDC和交流电阻RAC。对于交流电阻RAC,由于趋肤效应,越靠近导体表面电流密度越大,使导体的电阻变大。
    RAC = 0.076 × r × f × 0.5 × RDC
    其中r为导线半径,单位cm; f是通过导线的电流频率,单位Hz; RDC为导线的直流电阻,单位Ω。通过公式可以发现,当电流频率上升到MHz级别时,地线阻抗将变为原来的数万倍。

    地线的感抗

    任何导体内都有电感(这区别于通常所说的外电感,外电感时导体所包围面积的函数),内电感与导线所包围的面积无关,对于圆形截面导体,有如下转换公式。
    L = 0.2s × [ln(4.5 / d) - 1] (μH)
    其中s是导体长度,单位m;d为导体直径,单位m。
    导体直径越小,长度越大,内电感将会越大。这与“PCB布线应尽可能短而粗”的观点一致。

    地环路干扰

    顾名思义,地环路干扰是由地环路电流引起的,通常在长地线连接的设备之间出现。如果断开相互连接的设备,电路各部分即恢复正常,可以怀疑出现了地环路干扰。这种情况通常发生在干扰频率较低的场合。
    地环路电流形成的原因自然是由于地线上存在电位差。在地电压的驱使下,电路各部分的连线之间将产生额外的电流,而由于电路的不平衡性,每根导线上产生的电压又有所不同,这样就产生了差模电压,对电路造成干扰。
    那么地线上的压差是如何产生的呢?

    1. 大功率元件共用地线,地线本身的阻抗因通过大电流而产生的压差。
    2. 环境中存在较强的磁场,设备连线和地线所构成的环路产生感应电压。

    解决地环路干扰的基本思路

    1. 针对大电流而造成的地线压差,可以减少地线阻抗,使用短而粗的地线,或PCB走线开窗镀锡,提高载流能力。或者直接将地环路切断,使用隔离变压器、光耦器件、共模扼流圈等隔离器件。又或者改变线路结构,使用单点接地。(咦?似乎已经逐渐忘记标题)

    单点接地

    下图中列出了接地方式以及它们之间的关系。

    在这里插入图片描述
    使用单点接地方式的电路布线结构,模拟部分、数字部分、大功率原件分别使用并联单点接地,而各部分内部可以使用串联单点接地。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    所谓的单点接地就是电路中所有的地线分别连接到公共地的同一点。单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地,向上图左侧,类似于串联单点接地,而右侧则是并联单点接地。
    在这里插入图片描述

    两种单点接地方式的的缺点

    虽然串联单点接地不会构成地线回路,但有可能造成公共阻抗耦合。并联单点接地的缺点也很明显,走线数量增多了,势必会增加PCB设计难度,影响布通率。

    公共阻抗耦合

    当两个电路的电流流过一个公共电阻时,就发生了公共阻抗耦合因为公共电阻的作用,其中一个电路的电位会受到另一个电路电流的调制,这样另一个电路的信号就会耦合到另一个电路。这与地环路干扰的第一种情况类似。在这里插入图片描述

    举例

    放大器级间的公共阻抗耦合。
    在这里插入图片描述
    (c)图中放大器前级放大器与后级共用一段地线,并在这段导线上产生了较大的压差V,而不巧的是这段电压恰好作用于前级输入回路。如果满足一定相位关系就形成了正反馈,造成放大器自激。

    解决方案

    1. 如(b)图所示,改变电源位置,让大电流直接流入电源而不经过前级输入回路。
    2. 如(d)图所示,通过单点接地(并联单点接地)让放大器输出直接接入公共地。

    补充:多点接地

    多点接地比较好理解,所有元件就近接地,地线很短,适合运行频率较高的电路设计,这是因为所有信号最终都流经地线构成回路,过长的地线意味着无处不在的寄生电容和电感,通常大于10MHz的的电路就需要考虑多点接地。
    多点接地的问题是难以避免或大或小的地环路。双层板通过大面积铺铜将各个元件的GND连接起来实际上采用的就是多点接地。
    因为双层板没有单独的地层,走线对地平面的分割是在所难免的,非常容易出现地环路。所以在某些情况下也要通过过孔在另一面“打补丁”的方式保证地平面的完整性,减少地环路干扰。

    补充:混合接地

    在地线系统内使用电感、电容连接,利用电感、电容器件在不同频率下的阻抗特性,使地线系统在不同的工作频率下有不同的接地结构。

    补充:如何处理数字电路和模拟电路共存的电路设计

    众所周知,数字电路工作在开关状态,对电源干扰严重,所以在数字电路与模拟电路共存的电路设计中,数字电路和模拟电路分别进行独立供电,地线分离,最终单点接地。
    通常对于这种单点接地可以考虑使用0欧电阻或磁珠。磁珠的等效电路相当于带阻限波器,只对某个频点的噪声有显著抑制作用,使用时需要预先估计噪点频率,以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况,磁珠不合适。
    0欧电阻相当于很窄的电流通路,能够有效地限制环路电流,使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗),这点比磁珠强。

    补充:信号地和电源地的分割

    PCB布线时要时刻清楚电源以及信号回流的路径,如果电源和信号的回流路径重合则容易产生公共阻抗耦合,对信号质量造成影响

    补充:开尔文连接(Kelvin Connection)

    开尔文连接是一种用于模拟信号远传的连接方法。其特点是不在驱动器的输出端直接连接反馈到反相端,而从负载端将反馈接到放大器/驱动器的反相端的一种连接方法,其目的是减小线路电阻引起的误差。
    在这里插入图片描述
    如上图所示,反馈回路采样点连接到了负载端而不是放大器输入端,目的是为了避免导线造成的压降(图中R是导线电阻)。其背后的思路就是大小电流的电路分开。
    这与我们上面所提到的公共阻抗耦合、信号地和电源地的分割布线原则有相似之处。
    所以在PCB设计时,心中要十分清楚电路的功能和电流通路,原理图中的节点在实际布线时的位置需要谨慎。

    总结:

    一般情况下,高频电路应就近多点接地,低频电路应该单点接地。在低频电路中,布线和元件间的电感并不是什么大问题,而接地形成的环路影响很大,因此常使用单点接地。但是单点接地不适用于高频,因为高频时,地线上具有电感因而增加了地线阻抗,同时各地线之间有产生电感耦合。一般来说,频率在1MHz以下可用一点接地;高于10MHz时采用多点接地;在1~10MHz之间可用一点接地也可用多点接地。

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    有三种基本的信号接地方式:浮地、单点接地、多点接地。 1 浮地 目的:使电路或设备与公共地线可能引起环流的公共导线隔离起来,浮地还使不同电位的电路之间配合变得容易。 缺点:容易出现静电积累引起强烈的静电...
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  • 主要介绍单点接地与多点接地原理与区别,请下载。
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空空如也

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单点接地

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