印制电路板的地线设计

摘　要：

关键词：
　　在电子设备中,地线设计是印制板布线设计的重要环节,是抑制噪声和防止干扰的重要组成部分,不合理的地线设计会使印制板产生干扰,达不到设计指标,甚至无法工作。地线是电路中电位的参考点，又是电流公共通道。地地位理论上是零电位，实际上由于导线阻抗的存在，地线各处不都等于零，即存在非零电位点。
　　一、模拟电路的地线设计——单点接地
　　1．理论计算
　　例如：印制板上宽度为1.5mm，长50mm的地线铜箔，若铜箔厚度为0.05mm，则可根据公式R=ρL/S，该段导线电阻为0.013Ω，若流过这段地线电流为2A，则这段地线两端电位差为26mV，在微弱信号电路中，这26mV足以干扰信号正常工作。
　　可见，对印制板设计者来说，地线只要有一定长度，就不是一个处处为零的等电位点。地线不仅是必不可少的电路公共通道，又是产生干扰的一个渠道。如同修筑一条道路带来交通便利的同时也带来污染一样。
　　
　　2．应用举例
　　在一个由传感器、运算放大器、功率放放大器、伺服电机及直流稳压电源等组成的工控系统中，对每一级来说都有接地问题，这里所说的“地”并非大地，可以理解为等电位点，即电路或系统的基准零电位点。在由若干级运放串接组成的低频或直流放大器中，每一级都有自己的基准地电位。其输入、输出信号的大小和极性也都是相对这个基准地电位而言的。因此，当放大器前后级之间以及放大器与传感器相连时，它们的基准地都应该连在一起，即应是等电位的。而这些放大器与传感器又都由各自的直流电源供电，所以这些电源的地也应与放大器的地连接在一起。在大多数工控系统中，来自传感器的信号经电压放大、功率放大后去控制执行机构，在有些情况下伺服电机控制绕组的一端也需要接地。这样，当另一端来的是正信号时，控制电流经电枢流入地使电机正转；负信号时则电机反转。所以电机控制绕组的一端也应与放大器有一个公用的等电位基准地。
　　
　　在单电源供电时，由于各级电路中的所有电流最终都要流回到电源负端，通常我们也是把它作为“地”电位的基准。在图2中每级放大器都采用一点接地、各级放大器之间通过地线接到电源负端，由于各级放大器的工作点电流和信号电流幅度是逐级增大的。因而流过最后一段地线的电流包括前三极的信号电流，其中第三级信号电流已经包括自己在内的前三级放大，因而电流最大，在此段地线上的电压降U3也最大；根据同样的道理U1最小。
　　
　　3．基本原则——一点接地
　　如果能将电路中所有的接地点全部接在一个点上，即“一点接地”，也就不存在地线阻抗（此时地线阻抗极低），那么地线干扰也就不存在了。但是实际应用中，真正的一点接地是很难做到的，所以我们只能尽量的减小地线阻抗。我们可以在实际布线时，尽量缩短地线的长度并且使其具有足够的宽度，或者可以进行镀银处理（汇流条设计），通过这样的设计，我们可以将地线干扰尽量降低。
　　通过上面的应用我们还可以发现，同样的一点接地，如果适当改变其接地点的位置，还能够进一步的减小线路干扰，提高工作精度和稳定性。
　　当然如果电路是一个多单元、多板电路，需要连接的元器件，单元电路较多时，应将这些接地元器件尽可能就近接到公共地线的一段或一个区域，也可以接到一个分支地线上。　　
　　二、高频电路的地线设计——就近多点接地
　　1．理论计算
　　在高频电路中（几十兆以上频率）导线不公有电阻，还有电感，以平均自感量为0.8uH/m计算，50mm长的地线上自感为0.04uH,若电路工作频率为60MHz，则感抗为16Ω，在这段地线上流过10mA电流时即可产生0.16V的干扰电压。这足以将有用信号淹没。
　　2．解决措施
　　通过计算我们可以发现，在高频电路中，频率越高，地线阻抗越大。为了尽量降低地线阻抗，我们可以采用就近多点接地的方法，且地线设计成大面积接地。这种布线方式元器件一般都采用不规则排列并按信号流向依次布设，以求最短的传输线和最大面积接地，注意在高频电路中是不能采用分地线设计的。
　　在上述是模拟电路和高频电路地线设计我们都可以认为这是运用了一点接地的基本原则，所不同的是模拟电路大多采用单点接地，而高频电路采用的是就近多点接地。而这个地就是一点接地的“点”，所以，一点接地中的“点”并非是几何意义上的点，在印制电路板地线设计当中，也无法真正做到几何意义上的一点，这里所说的点是忽略电阻的几何导线图形，它可以是汇流排，粗导线、或大面积接地等。
　　三、混合接地
　　混合接地和单点接地、就近多点接地的地线设计大不一样。混合接地是在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构这样接地设计在普通的电路设计当中应用并不太多。
　　当然，在电路设计过程中，印制板电路不可能是单纯的线性电路，有可能既有线性电路，又有高速数字电路等等，这样的地线设计需要注意：不同类型电路根据信号特性将地线进行分组，将相互不会产生干扰的电路放在一组采用串联单点接地，不同组的采用并联单点接地，结合分地线的原理进行地线设计，这样即能解决公共阻抗耦合①的问题，又能避免地线过多。如图1。

　　总体来说，地线设计是印制板设计的重要环节，也是初学者易于忽略的一个环节，但对于电路的高精度稳定工作又非常重要，所以需要我们不断的加深学习，才能将其掌握。总之在实际电路设计过程中，不同类型电路、不同类型信号使得地线设计需要设计者更加细微周全的考虑，只有尽量抑制干扰信号的产生，才能让整机运行可靠性更高，性能更加稳定。