電路中地線的可靠性設(shè)計(jì)

一、地的分類

工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為防止各種電路在電路正常工作中產(chǎn)生互相干擾，使之能相互兼容地有效工作。根據(jù)電路的性質(zhì)，將電路中“零電位”———“地”分為不同的種類，比如按交直流分為直流地、交流地，按參考信號(hào)分為數(shù)字地（邏輯地）、模擬地，按功率分為信號(hào)地、功率地、電源地等，按與大地的連接方式分為系統(tǒng)地、機(jī)殼地（屏蔽地）、浮地。不同的接地方式在電路中應(yīng)用、設(shè)計(jì)和考慮也不相同，應(yīng)根據(jù)具體電路分別進(jìn)行設(shè)置。

1、信號(hào)地

信號(hào)地（SG）是各種物理量的傳感器和信號(hào)源零電位以及電路中信號(hào)的公共基準(zhǔn)地線（相對(duì)零電位）。此處信號(hào)一般指模擬信號(hào)或者能量較弱的數(shù)字信號(hào)，易受電源波動(dòng)或者外界因素的干擾，導(dǎo)致信號(hào)的信噪比（SNR）下降。特別是模擬信號(hào)，信號(hào)地的漂移，會(huì)導(dǎo)致信噪比下降；信號(hào)的測(cè)量值產(chǎn)生誤差或者錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)的失敗。因此對(duì)信號(hào)地的要求較高，也需要在系統(tǒng)中特殊處理，避免和大功率的電源地、數(shù)字地以及易產(chǎn)生干擾地線直接連接。尤其是微小信號(hào)的測(cè)量，信號(hào)地通常需要采取隔離技術(shù)。

2、模擬地

模擬地（AG）是系統(tǒng)中模擬電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于模擬電路既承擔(dān)小信號(hào)的處理，又承擔(dān)大信號(hào)的功率處理；既有低頻的處理，又有高頻處理；模擬量從能量、頻率、時(shí)間等都很大的差別，因此模擬電路既易接受干擾，又可能產(chǎn)生干擾。所以對(duì)模擬地的接地點(diǎn)選擇和接地線的敷設(shè)更要充分考慮。減小地線的導(dǎo)線電阻，將電路中的模擬和數(shù)字部分開，在PCB布線的時(shí)候，模擬地和數(shù)字地應(yīng)盡量分開，最后通過電感濾波和隔離，匯接到一起。如圖1所示。

模擬地和數(shù)字地

3、數(shù)字地

數(shù)字地（DG）是系統(tǒng)中數(shù)字電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于數(shù)字電路工作在脈沖狀態(tài)，特別是脈沖的前后沿較陡或頻率較高時(shí)，會(huì)在電源系統(tǒng)中產(chǎn)生比較大的毛刺，易對(duì)模擬電路產(chǎn)生干擾。所以對(duì)數(shù)字地的接地點(diǎn)選擇和接地線的敷設(shè)也要充分考慮。盡量將電路中的模擬和數(shù)字部分分開，在PCB布線的時(shí)候，模擬地和數(shù)字地應(yīng)盡量分開，最后通過電感，匯接到一起。

4、懸浮地

懸浮地（FG）是系統(tǒng)中部分電路的地與整個(gè)系統(tǒng)的地不直接連接，而是通過變壓器耦合或者直接不連接，處于懸浮狀態(tài)。該部分電路的電平是相對(duì)于自己“地”的電位。常用在小信號(hào)的提取系統(tǒng)或者強(qiáng)電和弱點(diǎn)混合系統(tǒng)中。

其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受系統(tǒng)中電氣和干擾的影響；缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動(dòng)和增加對(duì)模擬電路的感應(yīng)干擾。由于該電路的地與系統(tǒng)地沒有連接，易產(chǎn)生靜電積累而導(dǎo)致靜電放電，可能造成靜電擊穿或強(qiáng)烈的干擾c 因此，懸浮地的效果不僅取決于懸浮地絕緣電阻的大小，而且取決于懸浮地寄生電容的大小和信號(hào)的頻率。

在圖2所示的VDD-SGND的電源供電系統(tǒng)中，所有工作點(diǎn)相對(duì)的地都是SGND，但是SGND和DGND之間是電平處于懸浮狀態(tài)，VDD-SGND的電源供電的系統(tǒng)與整個(gè)系統(tǒng)的連接完全通過變壓器耦合，在這里設(shè)計(jì)的時(shí)候需要注意信號(hào)的連接方式。

懸浮地變壓器耦合

5、電源地

電源地是系統(tǒng)電源零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于電源往往同時(shí)供電給系統(tǒng)中的各個(gè)單元，而各個(gè)單元要求的供電性質(zhì)和參數(shù)可能有很大差別，因此既要保證電源穩(wěn)定可靠的工作，又要保證其他單元穩(wěn)定可靠地工作。同時(shí)，電源系統(tǒng)功耗比大，在單層板或者雙層板中地線的線寬必須加粗。若在多層板中，則應(yīng)以一層或者多層作為系統(tǒng)的地平面。

6、功率地

功率地是負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的電流較強(qiáng)、電壓較高，所以功率地線上的干擾較大，因此功率地必須與其他弱電地分別設(shè)置、分別布線，以保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

二、接地方式

在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1MHz~10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過波長(zhǎng)的1-20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。工作接地按工作頻率而采用如圖3所示幾種接地方式。

信號(hào)接地方式