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电子工程师应具备的电路设计常识及几十个经典电路解析
一、接地技术
PCB 设计—接地技术
1、 接地设计的基本原理
好的接地系统是抑制电磁干扰的一种技术措施,其电路和设备地线任意两点之间的
电压与线路中的任何功能部分相比较,都可以忽略不计;差的接地系统,可以通过地线
产生寄生电压和电流偶合进电路,地线或接地平面总有一定的阻抗,该公共阻抗使两两
接地点间形成一定的压降,引起接地干扰,使系统的功能受到影响。从而影响产品的可
靠性。
2、 接地目的
接地的目的主要有三个:
◆ 接地使整个电路系统中所有单元电路都有一个公共的参考零电位,保证电路系统能稳
定地工作。
◆ 防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷
通过大地泄放,否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。
另外,对于电路的屏蔽体,若选择合适的接地,也可获得良好的屏蔽效果。
◆ 保证安全作。当发生直接雷电的电磁感应时,可避免电子设备的毁坏;当工频交流
电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时,可避免操作人员的触电
事故发生。
3、 接地分类
◆ 防雷接地(LGND)
防雷接地是将可能受到雷击的物体与大地相连。当物体位置较高,距离雷云较
近时,一定要将物体进行防雷接地。由于雷电的放电电流是脉冲性的,放电电流也
较大,所以防雷接地时的接地电阻要小。为了避免由于雷击而造成机房里设备之间
的高压差,特别是有电气连接或距离较近的设备之间要采用低电感和电阻搭接。
★接地电阻:接地电阻不是普通的电阻而是一个阻值,是指电流由接地装置流向大地再由
大地流向无穷远处或是另一个接地装置所需克服的总电阻。接地电阻包括接
地线、接地装置本身电阻、接地装置与大地之间的接触电阻和两接地装置之
间的大地电阻或接地装置与无线远处的大地电阻。接地电阻越小,当有漏电
流或是雷电电流时,可以将其导入大地,不至于伤害人或损坏设备。如果接
地电阻变大,会造成应该导入大地的电流导不下去,因此,接地电阻越小越
安全。
◆ 保护接地(PGND/PE/FG)
为了保护设备、装置和人身的安全。保护接地主要用于保护工频故障电压对人
身造成的伤害。保护接地的工作原理:一是并联分流,当人体接触故障设备时,如
果故障设备有保护接地,这时人体和保护接地线呈并联关系,保护接地线的电阻和
人体相比是很小的,所以流过人体的电流很小,就会保护人身安全;二是当设备发
生碰壳事件后,由于设备有保护接地,事故电流会使相线上得保护装置动作,从而
切断电源,起到保障安全的作用。
★相线:通常工业用电,三根正弦交流电。电流相位(反映电流的方向 大小)相互相差
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120 度。 通常我们将每一根这样的导线称为相线。一般家庭使用的电源线是两
根导线组成的,其中一根叫相线(俗称火线),一根叫零线(即中性线)。相线
就是我们通常说的火线。
◆ 工作接地
工作接地是给系统工作提供等电位的参考电压,给信号提供一个低阻抗的回路。
信号质量的好坏很大程度上取决于接地线质量的好换,由于各种原因,接地线总会
存在一定的阻抗,从而带来一定的电压差,形成地纹波,对信号质量产生影响:信
号越弱、信号频率越高则影响会越大。因此,在设计中要最大限度的降低工作接地
导体的电阻。工作接地分为以下类别:
Ⅰ 信号地
信号地是各种传感器和信号源零电位的公共基准地线。由于信号一般都比较
弱,因此易受干扰,设计要求较高。
Ⅱ 模拟地(AGND)
模拟地是模拟电路零电位的公共参考点。由于模拟电路既有小信号放大,大
信号功率放大,有低频放大,也有高频放大,因此易受干扰,所以 PCB 设计
模拟地时要注意。
Ⅲ 数字地(DGND)
数字地是数字电路零电位的公共参考点。数字电路时脉冲信号,在上升或下
降沿比较陡或是频率高时,易对模拟电路造成影响。
Ⅳ 电源地(PG)
电源地是电源零电位的公共参考点。电源要给各个单元电路供电,所以要考
虑电源的稳定性。
Ⅴ 功率地
功率地是负载或功率驱动电路上的零电位公共参考点。由于功率电路较强,
电压较高,因此,功率地上干扰较大,应该与其他地线分开设置。
◆ 屏蔽接地
屏蔽接地与机构有关,并不需要与大地真正的连接。屏蔽结构接地是为了安全
方面的考虑。例如:防静电时,当完整的金属屏蔽体将带正电的导体包围起来,屏
蔽体内侧将感应处负电荷,外侧出现于导体等量的正电荷。形成静电场,如果将金
属屏蔽体接地,则金属屏蔽体外部的正电荷会流入大地,不会有电场存在。当人体
触摸时也不会触电。
4、 接地方式
◆ 浮动地
对于电子产品而言,浮动地是指设备的地线在电气上与参考地及其它导体相绝
缘,即设备浮动地,如图 1 所示;另一种情况是在有些电子产品中,为了防止机箱
上的骚扰电流直接耦合到信号电路,有意将信号地与机箱绝缘,即单元电路浮动地
优点:电路与外部的地系统有良好的隔离,不易受外部地系统上干扰的影响
缺点:电路上易积累静电从而产生静电干扰,有可能产生危险电压
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◆ 单点接地
接地点只有一个的连接方式。在频率低于 1MHz 时,较适于单点接地,主要可
以克服地环路因素造成系统的相互干扰。按照接地点的不同,单点接地可以分为
并联单点接地和串联单点接地两种形式。
Ⅰ 并联单点接地
接地点只有一个,是将需要接地的各部分,分别以接地导线直接连到电
位基准点(一般是直流电源的负极或零伏点);或者用树枝状的多点放
射式。如图 2 所示。因为这样仅有很少的公共信号返回导体,能有效地
避免公共阻抗和接地闭合回路造成的干扰。缺点是接地线又长又多,经
济性差,而且限制了装置的工作速度或频率。
并联单点接地主要应用于机框内各种汇流条的汇接。
Ⅱ 串联单点接地
接地点只有一个,是以一截面积足够大的导体作为接地母线,直接接到
电位基准点。如图 3 所示。需要接地的各部分就近接到该母线上,由于
接地母线阻抗很小,故能够把公共干扰减弱到允许的程度。布局时,应
把功率回路的接地点安排在靠近电源的地方,而把小电流回路的接地点
安排在远离电源的地方。
串联单点接地主要应用于机框内各单板参考地到汇流条的连接
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Ⅲ 多点接地
接地点多于一个的连接方式。如图 4 所示。在高频(
f
>10MHz)情况下,由于
接地线的长度过长,引线电感和分布电容的影响不能忽略,为降低接地阻抗、
消除分布电容的影响而平面式多点接地,即利用一导电平面(如底板或多层
印制电路板的导电平面层等)作为基准地,需要接地的各部分就近接到该基
准地上。由于导电平面的高频阻抗很低,所以各处的基准电位比较接近。为
进一步减少接地回路的压降,可用旁路电容等办法减少返回电流的幅值及前
沿陡度。
多点接地方式主要应用于高频信号到参考平面的连接。
Ⅳ 复合接地
单点接地和多点接地同时作用的连接方式。如图 5 所示。既包含了单点接地
地特性,也包含了多点接地地特性。主要应用于 1MHz <
f
< 10MHz,低频
时单点接地,高频时多点接地的场合和复杂系统的接地。
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二、印制电路板的电磁兼容性设计规范
(一)、 元器件布局
印刷电路板进行 EMC 设计时,首先要考虑布局,PCB 工程师必须和结构
工程师、EMC 工程师一起协调进行,做到两者兼顾,才能达到事半倍。
首先要考虑印刷电路板的结构尺寸大小,考虑如何对器件进行布置。如
果器件分布很散,器件之间的传输线可能会很长,印制线路长,阻抗增加,
抗噪声能力下降,成本也会增加。如果器件分布过于集中,则散热不好,且
邻近线条易受耦合、串扰。因此根据电路的功能单元,对电路的全部元器件
进行总体布局。同时考虑到电磁兼容性、热分布、敏感器件和非敏感器件、
I/O 接口、复位电路、时钟系统等因素。
一般来说,整体布局时应遵守以下基本原则:
1、当线路板上同时存在高、中、低速电路时,应该按逻辑速度分割:布置
快速、中速和低速逻辑电路时,高速的器件(快逻辑、时钟振荡器等) 应
安放在靠近连接器范围内,减少天线效应、低速逻辑和存储器,应安放在
远离连接器范围内。这样对共阻抗耦合、辐射和交扰的减小都是有利的。
2、在单面板或双面板中,如果电源线走线很长,应每隔 3000mil 对地加去
耦合电容,电容取值为 10uF+1000pF,滤除电源线上高频噪声。
3、在单面板和双面板中,滤波电容的走线应先经滤波电容滤波,再到器件
管脚,使电源电压先经过滤波再给 IC 供电,并且 IC 回馈给电源的噪声
也会 被电容先滤掉。至于去耦电容安放位置要根据实际情况来定,并不
是绝对放在电源正极处,也可能放在电源负极处,原则上保证接地阻抗
最小。
4、时钟线、总线、射频线等强辐射信号线远离接口外出信号线至少 1000mil,
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