在PCB設計中，特別是在高頻電路中，經常會遇到由地面干擾引起的一些不規則和異常。本文分析了接地引起的干擾原因，介紹了接地引起的三種干擾，并根據實際應用經驗提出了解決方案。這些抗干擾方法在實際應用中取得了良好的效果，使一些系統能夠在現場成功運行。

在單芯片系統中，PCB（印刷電路板）是用于支持的重要組件電路元件并提供電路元件和器件之間的電氣連接。 PCB線主要是銅線，銅本身的物理特性也會導致它們導電。過程中必須存在一定的阻抗。導線中的電感分量將影響電壓信號的傳輸。電阻分量將影響電流信號的傳輸。高頻電路中電感的影響特別嚴重。因此，必須在PCB設計中注意。消除接地阻抗的影響。

1、干擾原因

兩種不同的電阻和阻抗概念。電阻是指導線對直流狀態下的電流的阻抗，阻抗是指導線對交流狀態下的電流的阻抗。該阻抗主要由導線的電感引起。由于接地線總是有阻抗，用萬用表測量接地線時，接地線的電阻一般為mmΩ。

取長度為10厘米，寬度為1.5毫米的電線。以PCB上50μm的厚度為例，可以通過計算獲得阻抗。 R =ρL/s（Ω），其中L是導線長度（m），s是導線橫截面積（mm2），ρ是電阻率ρ= 0.02，因此導線電阻約為0.026Ω。/p>

當一根導線遠離其他導線并且其長度遠大于寬度時，導線的自感為0.8μH/m，導線的電感為10 cm為0.08 μH。然后，通過以下公式獲得導線的電感：XL =2πfL。在下面的公式中，f是導線通過信號的頻率（Hz），L是每單位長度導線的自感（H）。因此，低頻和高頻導線的感抗值分別計算：

在實際電路中，引起電磁干擾的信號通常是脈沖信號，脈沖信號包含豐富的信號高頻分量，因此在地面上產生大電壓。從上面的公式計算可以看出，線電阻高于低頻信號傳輸中的線電感。對于數字電路，電路的工作頻率非常高，并且線電感遠大于高頻信號中的線電阻。因此，接地阻抗對數字電路的影響是相當大的。這就是當電流流過一個小電阻時發生大電壓降的原因，導致電路運行異常。

2、接地干擾機制

2.1接地回路干擾

接地回路干擾是一種相對常見的干擾類型，通常發生在通過長電纜連接且相距很遠的設備之間。地線引起的電磁干擾的主要原因是地線的阻抗。當電流流過地線時，在地線上產生電壓。這是地線噪音。在此電壓的驅動下，會產生接地回路電流，從而導致接地回路干擾。如圖1所示，有兩個接地電路。

圖1

由于兩個器件的接地電位是不同的是，形成接地電壓，并且在該電壓的驅動下，電流在由“設備1互連電纜和設備2”形成的環路之間流動。由于電路的不平衡，每根導線上的電流不同，因此產生差模電壓，電路受到干擾。

由于接地回路干擾是由接地回路電流引起的，有時會發現，當一個設備的接地斷開時，干擾現象消失，因為當地線斷開時接地回路被切斷。這種現象經常發生在低頻干擾的情況下。當干擾頻率較高時，斷開地線的關系很小。

2.2常見阻抗干擾

在數字電路中，地線往往呈現出較大的阻抗由于信號的高頻率。此時，當幾個電路共用一條地線時，由于地線的阻抗，一個電路的地電位被另一個電路的工作電流調制，使一個電路中的信號耦合到另一個電路。它被稱為公共阻抗耦合。

公共阻抗耦合的解決方案是降低公共接地線部分的阻抗，或使用單點接地來完全消除公共阻抗。圖2的示例示出了干擾現象。圖2是具有四個門的簡單電路。假設門1的輸出電平從高變為低。此時，電路中的寄生電容（有時是柵極2輸入端的濾波電容）將通過柵極1放電到地，放電電流將由地的阻抗引起。在地面上產生尖峰電壓。如果此時門3的輸出為低，則如果尖峰的幅度超過門4的噪聲，則尖峰電壓被傳輸到門3的輸出，即柵極4的輸入。閾值將是導致門4發生故障。

圖2

2.3接地回路電磁耦合干擾

圖1中所示的“接地回路”將包圍某個區域。根據電磁感應定律，如果在該環路所圍繞的區域中存在變化的磁場，則在環路中將產生感應電流以形成干擾。 。空間磁場的變化無處不在，所以封閉的面積越大，干擾越嚴重。

3、種解決地面干擾的方法

3.1解決地面環路干擾

解決接地回路干擾有三個基本思路：一是減小接地線的阻抗，從而降低干擾電壓，但這對第二個原因造成的接地回路干擾沒有影響。第二種方法是改變接地結構，將一個機箱的地線連接到另一個機箱，并將另一個機箱接地。這是單點接地的概念。第三是增加接地回路的阻抗，從而減小接地回路電流。當阻抗無窮大時，接地回路實際上被切斷，即接地回路被消除。因此，提出了以下求解地環路干擾的解決方案。

（1）在一側浮動設備

如果電路的一側浮動，則接地環路被切斷，因此可以消除接地回路電流。但有兩個問題需要注意，一個是出于安全原因，不允許電路浮動。此時，請考慮通過電感器將器件接地。因此，50Hz AC電流裝置的接地阻抗很小，而對于較高頻率的干擾信號，裝置接地阻抗較大，這降低了接地回路電流。但是，這只能減少高頻干擾的接地環路干擾。另一個問題是雖然器件是浮動的，但器件和地之間仍然存在寄生電容。該電容在較高頻率下提供較低的阻抗，因此無法有效降低高頻接地回路電流。

（2）使用變壓器

解決地面的最基本方法環路干擾是切斷接地回路。這是通過隔離變壓器完成的，兩個設備之間的信號傳輸是通過磁場耦合完成的，避免了電氣直接連接。此時，地線上的干擾電壓出現在變壓器的初級和次級之間，而不是在電路的輸入端。改善變壓器高頻隔離的一種方法是在變壓器的初級和次級之間放置一個屏蔽層。但是，必須注意隔離變壓器屏蔽的接地端必須位于接收電路端。否則，不僅可以提高高頻隔離效果，而且可以使高頻耦合更加嚴重。因此，變壓器應安裝在信號接收裝置的一側。

變壓器隔離方法存在一些缺點，不能傳輸直流電，體積大，成本高。由于變壓器的初級和次級之間存在寄生電容，因此高頻隔離不是很好。

（3）使用光隔離元件

用光傳輸信號是一種解決地面循環問題的理想方法。如圖3所示，光耦器件的寄生電容約為2 pF，因此可以在非常高的頻率下隔離。如果使用光纖，則不存在寄生電容的問題，并且可以獲得完美的隔離效果。但是，光纖的使用帶來了其他問題，例如：需要更多功率，需要更多外圍設備，光線連接的線形和動態范圍都達不到模擬信號的要求，以及安裝和維護光纜很復雜。使用時要小心。

圖3

（4）使用共模扼流圈

接地電壓實際上是共模電壓。在此電壓下，流過電纜的電流是共模電流。在連接電纜上使用共模扼流圈相當于增加接地回路的阻抗，使接地回路電流減小一定的接地電壓。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容，否則對高頻干擾的隔離效果很差。共模扼流圈匝數越大，寄生電容越大，高頻隔離效果越差。

（5）平衡電路抑制接地電路干擾

平衡電路定義為兩個導體及其連接電路相對于地或其他參考物體具有相同的阻抗。

在高頻下很難平衡。實際電路有許多寄生因素，例如寄生電容和電感。這些參數在較高頻率的電路阻抗中起很大作用。由于這些寄生參數的不確定性，電路的阻抗也是不確定的，因此難以確保兩個導體的阻抗完全相同。因此，在高頻時，電路平衡趨于變差，這意味著平衡電路對較高頻率的接地回路電流干擾抑制效果較差。

3.2消除公共阻抗耦合

有兩種方法可以消除公共阻抗耦合。一種是降低公共地線的阻抗，使公共地線上的電壓也降低，從而控制公共阻抗耦合。另一種方法是避免電路的共同接地，這種接地容易通過適當的接地方法相互干擾。通常，避免強電電路和弱電電路的接地電路，數字電路和模擬電路共用地線。并聯接地的缺點是有太多的電線接地。因此，實際上，并非所有電路都必須在一個點上并聯接地。對于相互干擾較小的電路，可以使用串聯單點接地。例如，可以根據強信號，弱信號，模擬信號，數字信號等對電路進行分類，然后在同一類型電路中與單點串聯接地，如圖4所示，不同類型的電路與單個點并聯連接，如圖5所示。如圖所示。當信號頻率低于1 MHz時，可以使用單點接地方法，使其不形成環路。當信號頻率高于10 MHz時，最好使用多點接地來最小化接地阻抗。電源線和地線應盡可能靠近走線，以減小環路面積，從而減少環路切割引起的外場磁場干擾，同時減少環路的外部電磁輻射。

如前所述，降低接地阻抗的核心問題是降低接地電感。您可以使用扁平導體作為接地線，或使用多個相距很遠的平行導體來制作接地線。對于PCB，雙層板上的接地網可以有效地降低接地阻抗。在多層板中，可以使用一層作為地線來降低阻抗。

4、結論

抗干擾設計是單一設計的重要組成部分-chip系統，其設計往往決定整個系統的成敗。關于接地，詳細討論了許多關于電磁兼容性的專著，但應通過實驗選擇最佳接地方法，并通過實驗找到并消除接地干擾。本文介紹了地面干擾的原因和解決方案，并說明了接地設計的一般方法和原理。只有在理論的指導下，經過大量的實驗過程和經驗積累，才能更好地把握接地系統的設計方法。并采用干擾消除方式，以便更好地提高電路工作的可靠性。