令人吃惊的模拟电路 - 详解电路设计中单点接地、多点接地、混合接地

黎峰吖

       地线也是有阻抗的，电流流过地线时，会产生电压，此为噪声电压，而噪声电压则是影响系统稳定的干扰源之一，不可取。所以，要降低地线噪声的前提是降低地线的阻抗。

       众所周知，地线是电流返回源的通路。对于一个信号来说，它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径，所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。第一，根据公式可以知道，辐射强度是和回路面积成正比的，就是说回流需要走的路径越长，形成的环越大，它对外辐射的干扰也越大，所以，PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积。第二，对于一个高速信号来说，提供有好的信号回流可以保证它的信号质量，这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层（或电源层）为参考来计算的，如果高速线附近有连续的地平面，这样这条线的阻抗就能保持连续，如果有段线附近没有了地参考，这样阻抗就会发生变化，不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性。所以，布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层，或者高速线旁边并行走一两条地线，起到屏蔽和就近提供回流的功能。第三，为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割，这也是因为信号跨越了不同电源层后，它的回流途径就会很长了，容易受到干扰。当然，不是严格要求不能跨越电源分割，对于低速的信号是可以的，因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查，尽量不要跨越，可以通过调整电源部分的走线。

      许多电磁干扰问题是由地线产生的，因为地线电位是整个电路工作的基准电位，如果地线设计不当，地线电位就不稳，就会导致电路故障。地线设计的目的是要保证地线电位尽量稳定，从而消除干扰现象。信号接地方式一般有三种：浮地、单点接地、多点接地 、混合接地。

       A 、浮地

目的：使电路或设备与公共地线可能引起环流的公共导线隔离起来，浮地还使不同电位的电路之间配合变得容易。 缺点：容易出现静电积累引起强烈的静电放电。 折衷方案：接入泄放电阻。

       B、单点接地

      单点接地:所有电路的地线接到公共地线的同一点，进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。在大功率和小功率电路混合的系统中，切忌使用，因为大功率电路中的地线电流会影响小功率电路的正常工作。另外，最敏感的电路要放在A点，这点电位是最稳定的。最大的好处就是没有地环路，相对简单，但是地线往往过长，导致地线阻抗过大。



        单点接地可以分为“串联接地”和“并联接地”两种方式。串联单点接地的方式简单，但是存在共同地线的原因，导致存在公共地线阻抗，如果此时串联在一起的是功率相差很大的电路，那么互相干扰就非常严重。并联单点接地的方式可以避免公共地线耦合的因素，但是每部分电路都需要引地线到接地点上，需要的地线就过多，不实用。

       所以，在实际应用时，可画PCB板以采用串联和并联混合的单点接地方式。在时，把互相不易干扰的电路放一层，把互相容易发生干扰的电路放不同层，再把不同层的地并联接地。如下图所示。



       工作频率低（<1MHz）的采用单点接地式

       缺点：不适宜用于高频场合。

单点接地在高频电路里面，因为地线长，地线的阻抗是永远避免不了的因素，所以并不适用，那怎么办呢？下面再介绍“多点接地”。

        C、多点接地

       工作频率高（>30MHz）的采用多点接地式（即在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路）。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。高频率的数字电路就需要并联接地了，在这里一般通过地孔的方式可较为简单的处理。

        当电路工作频率较高时，想象一下高频信号在沿着地线传播时，所到之处影响周边电路会有多么严重，因此所有电路就要就近接到地上，地线要求最短，多点接地就产生了。

        多点接地，其目的是为了降低地线的阻抗，在高频(f 一定的条件下)电路中，要降低阻抗，主要从两个方面去考虑，一是减小地线电阻，二是减小地线感抗。

        方法如下：

        1，减小地线导体电阻，从电阻与横截面的关系公式中我们知道，要增加地线导通的横截面积。但是在高频环境中，存在一种高频电流的趋肤效应(也叫集肤效应)，高频电流会在导体表面通过，所以单纯增大地线导体的横截面积往往作用不大。可以考虑在导体表面镀银，因为银的导电性较其他导电物质优秀，故而会降低导体电阻。

        2，减小地线的感抗，最好的方法就是增大地线的面积。

             在实际应用时，地线短，地面积大，抗干扰的效果就会更好。

       写到这里时，可能有人会问，如何才算是高频电路？参考杨继深教授的书籍《电磁兼容EMC技术》有提到“通常1MHZ以下算低频电路，可以采用单点接地，10MHZ以上算高频电路，可以采用多点接地的方式”，1MHZ和10MHZ时，如果最长地线不超过波长的1/20，可以单点接地，否则多点接地。

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