【導(dǎo)讀】在工程設(shè)計中,從參考電平的角度看,都是同一個地,最終都要接到一起獲得相同的參考電位。對于地的分開,主要是從布線的角度看的,減少不同電路之間地的干擾,而電源的地不能看成模擬地,信號地也不能看成數(shù)字地。
這主要是根據(jù)電路的性能來分割地,對于數(shù)字信號3.3v電路,2.5V電路和5V電路的地也可能有分開的需要。即使是同一個供電的數(shù)字電路,有時候也有布線的要求,例如大電流的IO部分的地,可能需要單獨(dú)處理。
大地一般指機(jī)殼,這個部分有ESD和屏蔽的需要的。有些時候電路地通過一個1M電阻同外殼相連,有時候直接連接。要根據(jù)應(yīng)用和ESD的要求來處理。
總之,地的邏輯連接特性和PCB上的物理特性是要區(qū)分來看的。理論上講地是0電壓的,但是在實(shí)際PCBA上地是有很多噪聲和反彈的。 首先先來明白幾個概念
地的分割與匯接:接地是抑制電磁干擾、提高電子設(shè)備EMC性能的重要手段之一。正確的接地既能提高產(chǎn)品抑制電磁干擾的能力,又能減少產(chǎn)品對外的EMI發(fā)射。
接地的含義:電子設(shè)備的“地”通常有兩種含義:一種是“大地”(安全地),另一種是“系統(tǒng)基準(zhǔn)地”(信號地)。接地就是指在系統(tǒng)與某個電位基準(zhǔn)面之間建立低阻的導(dǎo)電通路。“接大地”就是以地球的電位為基準(zhǔn),并以大地作為零電位,把電子設(shè)備的金屬外殼、電路基準(zhǔn)點(diǎn)與大地相連接。
把接地平面與大地連接,往往是出于以下考慮:
A、提高設(shè)備電路系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性;
B、靜電泄放;
C、為工作人員提供安全保障。
接地分類:數(shù)字地、模擬地、信號地、交流地、直流地、屏蔽地、浮地
除了正確進(jìn)行接地設(shè)計、安裝,還要正確進(jìn)行各種不同信號的接地處理??刂葡到y(tǒng)中,大致有以下幾種地線:
(1)數(shù)字地:也叫邏輯地,是各種開關(guān)量(數(shù)字量)信號的零電位。
(2)模擬地:是各種模擬量信號的零電位。
(3)信號地:通常為傳感器的地。
(4)交流地:交流供電電源的地線,這種地通常是產(chǎn)生噪聲的地。
(5)直流地:直流供電電源的地。
(6)屏蔽地:也叫機(jī)殼地,為防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)。
以上這些地線處理是系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試中的一個重要問題。下面就接地問題提出一些看法:
(1)控制系統(tǒng)宜采用一點(diǎn)接地。一般情況下,高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地,低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地。在低頻電路中,布線和元件間的電感并不是什么大問題,然而接地形成的環(huán)路的干擾影響很大,因此,常以一點(diǎn)作為接地點(diǎn);但一點(diǎn)接地不適用于高頻,因?yàn)楦哳l時,地線上具有電感因而增加了地線阻抗,同時各地線之間又產(chǎn)生電感耦合。一般來說,頻率在1MHz以下,可用一點(diǎn)接地;高于10MHz時,采用多點(diǎn)接地;在1~10MHz之間可用一點(diǎn)接地,也可用多點(diǎn)接地。
(2)交流地與信號地不能共用。由于在一段電源地線的兩點(diǎn)間會有數(shù)mV甚至幾V電壓,對低電平信號電路來說,這是一個非常重要的干擾,因此必須加以隔離和防止。
(3)浮地與接地的比較。全機(jī)浮空即系統(tǒng)各個部分與大地浮置起來,這種方法簡單,但整個系統(tǒng)與大地絕緣電阻不能小于50MΩ。這種方法具有一定的抗干擾能力,但一旦絕緣下降就會帶來干擾。還有一種方法,就是將機(jī)殼接地,其余部分浮空。這種方法抗干擾能力強(qiáng),安全可靠,但實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。
(4)模擬地。模擬地的接法十分重要。為了提高抗共模干擾能力,對于模擬信號可采用屏蔽浮技術(shù)。對于具體模擬量信號的接地處理要嚴(yán)格按照操作手冊上的要求設(shè)計。
(5)屏蔽地。在控制系統(tǒng)中為了減少信號中電容耦合噪聲、準(zhǔn)確檢測和控制,對信號采用屏蔽措施是十分必要的。根據(jù)屏蔽目的不同,屏蔽地的接法也不一樣。電場屏蔽解決分布電容問題,一般接大地;電磁場屏蔽主要避免雷達(dá)、電臺等高頻電磁場輻射干擾。利用低阻金屬材料高導(dǎo)流而制成,可接大地。磁場屏蔽用以防磁鐵、電機(jī)、變壓器、線圈等磁感應(yīng),其屏蔽方法是用高導(dǎo)磁材料使磁路閉合,一般接大地為好。
當(dāng)信號電路是一點(diǎn)接地時,低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地。如果電纜的屏蔽層地點(diǎn)有一個以上時,將產(chǎn)生噪聲電流,形成噪聲干擾源。當(dāng)一個電路有一個不接地的信號源與系統(tǒng)中接地的放大器相連時,輸入端的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端;相反,當(dāng)接地的信號源與系統(tǒng)中不接地的放大器相連時,放大器的輸入端也應(yīng)接到信號源的公共端。
對于電氣系統(tǒng)的接地,要按接地的要求和目的分類,不能將不同類接地簡單地、任意地連接在一起,而是要分成若干獨(dú)立的接地子系統(tǒng),每個子系統(tǒng)都有其共同的接地點(diǎn)或接地干線,最后才連接在一起,實(shí)行總接地。
Q1:為什么要接地?
Answer:接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設(shè)備遭雷擊而采取的保護(hù)性措施,目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地,從而起到保護(hù)建筑物的作用。同時,接地也是保護(hù)人身安全的一種有效手段,當(dāng)某種原因引起的相線(如電線絕緣不良,線路老化等)和設(shè)備外殼碰觸時,設(shè)備的外殼就會有危險電壓產(chǎn)生,由此生成的故障電流就會流經(jīng)PE線到大地,從而起到保護(hù)作用。
隨著電子通信和其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展,在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。比如在通信系統(tǒng)中,大量設(shè)備之間信號的互連要求各設(shè)備都要有一個基準(zhǔn)‘地’作為信號的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化,信號頻率越來越高,因此,在接地設(shè)計中,信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注,否則,接地不當(dāng)就會嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。最近,高速信號的信號回流技術(shù)中也引入了“地”的概念。
Q2:接地的定義
Answer:在現(xiàn)代接地概念中、對于線路工程師來說,該術(shù)語的含義通常是‘線路電壓的參考點(diǎn)’;對于系統(tǒng)設(shè)計師來說,它常常是機(jī)柜或機(jī)架;對電氣工程師來說,它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。
Q3:常見的接地符號
Answer:PE,PGND,F(xiàn)G-保護(hù)地或機(jī)殼;BGND或DC-RETURN-直流-48V(+24V)電源(電池)回流;GND-工作地;DGND-數(shù)字地;AGND-模擬地;LGND-防雷保護(hù)地GND在電路里常被定為電壓參考基點(diǎn)。
從電氣意義上說,GND分為電源地和信號地。PG是PowerGround(電源地)的縮寫。另一個是SignalGround(信號地)。實(shí)際上它們可能是連在一起的(不一定是混在一起哦?。?。兩個名稱,主要是便于對電路進(jìn)行分析。
進(jìn)一步說,還有因電路形式不同而必須區(qū)分的兩種“地”:數(shù)字地,模擬地。
數(shù)字地和模擬地都有信號地、電源地兩種情況。數(shù)字地和模擬地之間,某些電路可以直接連接,有些電路要用電抗器連接,有些電路不可連接。
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Q4:合適的接地方式
Answer:接地有多種方式,有單點(diǎn)接地,多點(diǎn)接地以及混合類型的接地。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來說,單點(diǎn)接地用于簡單電路,不同功能模塊之間接地區(qū)分,以及低頻(f《1MHz)電子線路。當(dāng)設(shè)計高頻(f》10MHz)電路時就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板(完整的地平面層)。
Q5:信號回流和跨分割的介紹
Answer:對于一個電子信號來說,它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑,所以如何處理這個信號回流就變得非常的關(guān)鍵。
第一,根據(jù)公式可以知道,輻射強(qiáng)度是和回路面積成正比的,就是說回流需要走的路徑越長,形成的環(huán)越大,它對外輻射的干擾也越大,所以,PCB布板的時候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。
第二,對于一個高速信號來說,提供有好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量,這是因?yàn)镻CB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層(或電源層)為參考來計算的,如果
高速線附近有連續(xù)的地平面,這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù),如果有段線附近沒有了地參考,這樣阻抗就會發(fā)生變化,不連續(xù)的阻抗從而會影響到信號的完整性。
所以,布線的時候要把高速線分配到靠近地平面的層,或者高速線旁邊并行走一兩條地線,起到屏蔽和就近提供回流的功能。
第三,為什么說布線的時候盡量不要跨電源分割,這也是因?yàn)樾盘柨缭搅瞬煌娫磳雍?,它的回流途徑就會很長了,容易受到干擾。當(dāng)然,不是嚴(yán)格要求不能跨越電源分割,對于低速的信號是可以的,因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號可以不予關(guān)心。對于高速信號就要認(rèn)真檢查,盡量不要跨越,可以通過調(diào)整電源部分的走線。
Q6:為什么要將模擬地和數(shù)字地分開,如何分開?
Answer:模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地,因?yàn)閿?shù)字信號變化速度快,從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會很大,而模擬信號是需要一個干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起,噪聲就會影響到模擬信號。一般來說,模擬地和數(shù)字地要分開處理,然后通過細(xì)的走線連在一起,或者單點(diǎn)接在一起??偟乃枷胧潜M量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開,如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。
Q7:單板上的信號如何接地?
Answer:對于一般器件來說,就近接地是最好的,采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計后,對于一般信號的接地就非常容易了,基本原則是保證走線的連續(xù)性,減少過孔數(shù)量;靠近地平面或者電源平面,等等。
Q8:單板的接口器件如何接地?
Answer:有些單板會有對外的輸入輸出接口,比如串口連接器,網(wǎng)口RJ45連接器等等,如果對它們的接地設(shè)計得不好也會影響到正常工作,例如網(wǎng)口互連有誤碼,丟包等,并且會成為對外的電磁干擾源,把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地,與信號地的連接采用細(xì)的走線連接,可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細(xì)的走線可以用來阻隔信號地上噪音過到接口地上來。同樣的,對接口地和接口電源的濾波也要認(rèn)真考慮。
Q9:帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?
Answer:屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號地上,這是因?yàn)樾盘柕厣嫌懈鞣N的噪聲,如果屏蔽層接到了信號地上,噪聲電壓會驅(qū)動共模電流沿屏蔽層向外干擾,所以設(shè)計不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈。
混合電路里面做標(biāo)示用的,VCC表示模擬信號電源,GND表示模擬信號地,VDD表示數(shù)字信號電源,VSS表示數(shù)字電源地。
VCC主要表示Bipolar電路的電源,C表示Collector集電極,電源一般接在NPN的集電極(或PNP的發(fā)射極),集成電路剛出現(xiàn)時只有NPN管,后來才有集成進(jìn)去的PNP管。VDD/VSS一般表示MOS電路的電源和“地”,D/S分別表示MOS管的Drain(漏)/Source(源)。
最后談一下接地方式的一般選取原則:
對于給定的設(shè)備或系統(tǒng),在所關(guān)心的最高頻率(對應(yīng)波長為)入上,當(dāng)傳輸線的長度L〉入,則視為高頻電路,反之,則視為低頻電路。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則,對于低于1MHZ的電路,采用單點(diǎn)接地較好;對于高于10MHZ,則采用多點(diǎn)接地為佳。對于介于兩者之間的頻率而言,只要最長傳輸線的長度L小于/20 入,則可采用單點(diǎn)接地以避免公共阻抗耦合。
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