【導(dǎo)讀】在PCB設(shè)計(jì)中，電路不同接地方法也各不相同。接地是抑制噪聲和防止干擾的重要措施，只有正確的接地才能減少或避免電路間的相互干擾，本文從形成干擾的原因出發(fā)，為大家分享工程師們總結(jié)的一些PCB設(shè)計(jì)中的接地技巧，希望能幫助大工程師們?cè)赑CB設(shè)計(jì)中能夠少走彎路。
模擬地/數(shù)字地以及模擬電源/數(shù)字電源只不過是相對(duì)的概念。提出這些概念的主要原因是數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾已經(jīng)到了不能容忍的地步。目前的標(biāo)準(zhǔn)處理辦法如下：
1.地線從整流濾波后就分為2根，其中一根作為模擬地，所有模擬部分的電路地全部接到這個(gè)模擬地上面；另一根為數(shù)字地，所有數(shù)字部分的電路地全部接到這個(gè)數(shù)字地上面。
2.直流電源穩(wěn)壓芯片出來，經(jīng)過濾波后同樣分為2根，其中一根經(jīng)過LC/RC濾波后作為模擬電源，所有模擬部分的電路電源全部接到這個(gè)模擬電源上面；另一根為數(shù)字電源，所有數(shù)字部分的電路電源全部接到這個(gè)數(shù)字電源上面。
注意：模擬地/數(shù)字地以及模擬電源/數(shù)字電源除了在電源的開始部分有一點(diǎn)連接外，不能再有任何連接。
AVCC：模擬部分電源供電；AGND：模擬地
DVCC：數(shù)字部分電源供電；DGND：數(shù)字地
這樣區(qū)分是為了將數(shù)字部分和模擬部分隔離開，減小數(shù)字部分帶給模擬電路部分的干擾。但這兩部分不可能完全隔離開，數(shù)字部分和模擬部分之間是有連接的所以，在供電時(shí)至少地應(yīng)該是在一起的，所以AGND和DGND之間要用0歐姆的電阻或磁珠或電感連接起來，這樣的一點(diǎn)連接就能夠減小干擾。同樣，如果兩部分的供電電源相同也應(yīng)該采用這樣的接法。
在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了少走彎路和節(jié)省時(shí)間，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。形成干擾的基本要素有三個(gè)：
(1)干擾源：指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，用數(shù)學(xué)語言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可能成為干擾源。
(2)傳播路徑：指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。
(3)敏感器件：指容易被干擾的對(duì)象。如：A/D、D/A變換器，單片機(jī)，數(shù)字IC，弱信號(hào)放大器等。抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。
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抑制干擾源
抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt，di/dt。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會(huì)起到事半功倍的效果。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實(shí)現(xiàn)。
抑制干擾源的常用措施如下：
(1)繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開時(shí)間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)。
(2)在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路(一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾K到幾十K，電容選0.01uF)，減小電火花影響。
(3)給電機(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。
(4)電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF～0.1μF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果。
(5)布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。
(6)可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲(這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅擊穿的)。
按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。
所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時(shí)也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩。
切斷干擾傳播路徑
切斷干擾傳播路徑的常用措施如下：
(1)充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感，要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Ω電阻代替磁珠。
(2)如果單片機(jī)的I/O口用來控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波電路)。控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波電路)。
(3)注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問題。
(4)電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源(如電機(jī)，繼電器)與敏感元件(如單片機(jī))遠(yuǎn)離。
(5)用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則，廠家分配A/D、D/A芯片引腳排列時(shí)已考慮此要求。
(6)單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。
(7)在單片機(jī)I/O口，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器，屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。
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提高敏感器件的抗干擾性能
提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。
提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：
(1)布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。
(2)布線時(shí)，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。
(3)對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。
(4)對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。
(5)在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。
(6)IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。
為了達(dá)到很好的抗干擾，于是我們常看到PCB板上有地分割的布線方式。但是也不是所有的數(shù)字電路和模擬電路混合都一定要進(jìn)行地平面分割。因?yàn)檫@樣分割是為了降低噪聲的干擾。
理論：在數(shù)字電路中一般的頻率會(huì)比模擬電路中的頻率要高，而且它們本身的信號(hào)會(huì)跟地平面形成一個(gè)回流(因?yàn)樵谛盘?hào)傳輸中，銅線與銅線之間存在著各種各樣的電感和分布電容)，如果我們把地線混合在一起，那么這個(gè)回流就會(huì)在數(shù)字和模擬電路中相互串?dāng)_。而我們分開就是讓它們只在自己本身內(nèi)部形成一個(gè)回流。它們之間只用一個(gè)零歐電阻或是磁珠連接起來就是因?yàn)樵瓉硭鼈兙褪峭粋€(gè)物理意義的地，現(xiàn)在布線把它們分開了，最后還應(yīng)該把它們連接起來。
如何分析它們是屬于數(shù)字部分呢還是模擬部分?這個(gè)問題常常是我們?cè)诰唧w畫PCB時(shí)得考濾的。我個(gè)人的看法是要判斷一個(gè)元件是屬于模擬的，還是數(shù)字的關(guān)鍵是看與它相關(guān)的主要芯片是數(shù)字的還是模擬的。比如：電源它可能給模擬電路供電，那它就是模擬部分的，如果它是給單片機(jī)或是數(shù)據(jù)類芯片供電，那它就是數(shù)字的。當(dāng)它們是同一個(gè)電源時(shí)就需要用一個(gè)橋的方法把一個(gè)電源從另一個(gè)部分引過來。最典形的就是D/A了，它應(yīng)該是一個(gè)一半是數(shù)字，一半是模擬的芯片。我認(rèn)為如果能把數(shù)字輸入處理好后，剩下的就可以畫到模擬部分去了。
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模擬電路涉及弱小信號(hào)，但是數(shù)字電路門限電平較高，對(duì)電源的要求就比模擬電路低些。既有數(shù)字電路又有模擬電路的系統(tǒng)中，數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲會(huì)影響模擬電路，使模擬電路的小信號(hào)指標(biāo)變差，克服的辦法是分開模擬地和數(shù)字地。
對(duì)于低頻模擬電路，除了加粗和縮短地線之外，電路各部分采用一點(diǎn)接地是抑制地線干擾的最佳選擇，主要可以防止由于地線公共阻抗而導(dǎo)致的部件之間的互相干擾。
而對(duì)于高頻電路和數(shù)字電路，由于這時(shí)地線的電感效應(yīng)影響會(huì)更大，一點(diǎn)接地會(huì)導(dǎo)致實(shí)際地線加長而帶來不利影響，這時(shí)應(yīng)采取分開接地和一點(diǎn)接地相結(jié)合的方式。
另外對(duì)于高頻電路還要考慮如何抑制高頻輻射噪聲，方法是：盡量加粗地線，以降低噪聲對(duì)地阻抗；滿接地，即除傳輸信號(hào)的印制線以外，其他部分全作為地線。不要有無用的大面積銅箔。
地線應(yīng)構(gòu)成環(huán)路，以防止產(chǎn)生高頻輻射噪聲，但環(huán)路所包圍面積不可過大，以免儀器處于強(qiáng)磁場中時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電流。但如果只是低頻電路，則應(yīng)避免地線環(huán)路。數(shù)字電源和模擬電源最好隔離，地線分開布置，如果有A/D，則只在此處單點(diǎn)共地。
低頻中沒有多大影響，但建議模擬和數(shù)字一點(diǎn)接地。高頻時(shí)，可通過磁珠把模擬和數(shù)字地一點(diǎn)共地。
如果把模擬地和數(shù)字地大面積直接相連，會(huì)導(dǎo)致互相干擾。不短接又不妥，理由如上有四種方法解決此問題∶1、用磁珠連接；2、用電容連接；3、用電感連接；4、用0歐姆電阻連接。
●磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻限波器，只對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有顯著抑制作用，使用時(shí)需要預(yù)先估計(jì)噪點(diǎn)頻率，以便選用適當(dāng)型號(hào)。對(duì)于頻率不確定或無法預(yù)知的情況，磁珠不合。
●電容隔直通交，造成浮地。
●電感體積大，雜散參數(shù)多，不穩(wěn)定。
●0歐電阻相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗)，這點(diǎn)比磁珠強(qiáng)。
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