PCB地线的干扰与抑制分析

　摘要：在PCB设计中，尤其是在高频电路中，经常会遇到由于地线干扰而引起的一些不规律、不正常的现象。本文对地线产生干扰的原因进行分析，详细介绍了地线产生干扰的三种类型，并根据实际应用中的经验提出了解决措施。这些抗干扰方法在实际应用中取得了良好的效果，使一些系统在现场成功运行。

　　在单片机系统中，PCB（印制电路板）是用来支撑电路元件，并提供电路元件和器件之间电气连接的重要组件，PCB导线多为铜线，铜自身的物理特性也导致其在导电过程中必然存在一定的阻抗，导线中的电感成分会影响电压信号的传输，电阻成分则会影响电流信号的传输，在高频线路中电感的影响尤为严重，因此，在PCB设计中必须注意和消除地线阻抗所带来的影响。

　　1 产生干扰的原因

　　电阻与阻抗两个不同的概念。电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗，而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。由于地线总是存在阻抗，因此用万用表测量地线时，地线的电阻一般是mmΩ级。

　　以PCB上一段长10 cm、宽1．5 mm，厚度为50μm的导线为例，通过计算可得到其阻抗的大小。R=ρL／s（Ω），式中L为导线长度（m），s为导线截面积（mm2），ρ为电阻率ρ=0.02，因此该导线电阻值约为0．026 Ω。

　　当一段导线与其他导线远离并且其长度远大于宽度时，导线的自感量为0．8 μH／m，那么10 cm长的导线的电感量是0．08μH。再由下面的公式求出导线感抗：XL=2πfL，下式中，f为导线通过信号的频率（Hz），L为单位长度导线的自感量（H）。所以分别计算出该导线在低频和高频下的感抗值：

　　在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压。通过以上的公式计算可以看出，在低频信号传输中导线电阻大于导线感抗，对于数字电路，电路的工作频率很高，在高频信号中导线感抗要远大于导线电阻。因此，地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。这就是电流流过小电阻时产生大压降，导致电路工作异常的原因。

　　2 地线干扰机理

　　2．1 地环路干扰

　　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并且相距较远的设备之间。地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压，这就是地线噪声。在这个电压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。如图1所示是两个接地的电路。

　　由于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1一互联电缆一设备2一地"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。

　　由于地环路干扰是因地环路电流而导致的，因此有时会发现，当把一个设备的地线断开后，干扰现象消失，这是因为地线断开时切断了地环路。这种现象经常发生在低频干扰的场合，当干扰频率较高时，断开地线与否关系不大。

　　2．2 公共阻抗干扰

　　在数字电路中，由于信号的频率较高，地线往往呈现较大的阻抗。这时，当几个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制，这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。

　　解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗，或采用单点接地，彻底消除公共阻抗图2的例子说明了一种干扰现象。图2是一个有四个门电路组成的简单电路。假设门1的输出电平由高变为低，这时电路中的寄生电容（有时门2的输入端有滤波电容）会通过门1向地线放电，由于地线的阻抗，放电电流会在地线上产生尖峰电压，如果这时门3的输出是低电平，则这个尖峰电压就会传到门3的输出端，门4的输入端，如果这个尖峰电压的幅度超过门4的噪声门限，就会造成门4 的误动作。

　　2．3 地环路电磁耦合干扰

　　图1所示的"地线环路"将包围一定的面积，根据电磁感应定律，如果这个环路所包围的面积中有变化的磁场存在，就会在环路中产生感生电流，形成干扰。空间磁场的变化无处不在，于是包围的面积越大干扰就越严重。
3 解决地线干扰的方法

　　3．1 解决地环路干扰

解决地环路干扰的基本思路有3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干扰没有效果。第二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。第三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。因此提出以下几种解