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  • PCB电路板设计中的单点接地技术
    发布时间:2010-11-6

    单点接地连接是指在PCB的设计中,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子系统(有不同的参考电平)中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极小的。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。

     

    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。


    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=(I1+I2+I3)ωL +(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。

     

    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,但有时它也应用于高频电路或系统中,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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