接地系統的設計是一個十分復雜的系統工程。由于接地系統的設計目前沒有一個系統的理論或模型,故在考慮接地時只能參考過去的設計經驗或從書本上看到的經驗介紹。面對一個電路系統,很難提出一個絕對正確的接地方案,而在其他場合使用很好的方案在這里也不一定好,設計中多少都會遺留一些問題。因此,在設計接地系統時,很大程度上依賴設計人員對“接地”這個概念的理解程度和設計經驗。
理想的接地要求如下。
① 理想的接地應使流經地線的各個電路、設備的電流互不影響,即不使其形成地電流環路,并且避免使電路、設備受磁場和地電位差的影響。
② 理想的接地導體(導線或導電平面)應是零阻抗的實體,流過接地導體的任何電流都不應該產生電壓降,即各接地點之間沒有電位差,或者說各接地點間的電壓與電路中任何功能部分的電位比較均可忽略不計。
③ 接地平面應是零電位,它用做系統中各電路任何位置所有電信號的公共電位參考點。
④ 良好的接地平面與布線間將有大的分布電容,而接地平面本身的引線電感將很小。理論上,它必須能吸收所有信號,使設備穩定地工作。接地平面應采用低阻抗材料制成,并且有足夠的長度、寬度和厚度,以保證在所有頻率上它的兩邊之間均呈現低阻抗。用于安裝固定式設備的接地平面,應由整塊銅板或銅網組成。
接地系統設計的一般規則如下。
① 要降低地電位差,必須限制接地系統的尺寸。當電路尺寸小于0.05λ時可采用單點接地,大于0.15λ時可采用多點接地。對于工作頻率很寬的系統要用混合接地。對于敏感系統,接地點之間的最大距離應當不大于0.05λ(λ是該電路系統中最高頻率信號的波長)。
低頻電路可以采用串聯和并聯的單點接地。并聯單點接地最為簡單而實用,它沒有公共阻抗耦合和低頻地環路的問題,每個電路模塊都接到一個單點地上,每個子單元在同一點與參考點相連,地線上其他部分的電流不會耦合進電路。這種接地方式在1MHz以下的工作頻率下能工作得很好。但是隨著頻率的升高,接地阻抗隨之增大,電路上會產生較大的共模電壓。
對于工作頻率較高的模擬電路和數字電路,由于各元器件的引線和電路布局本身的電感都將增加接地線的阻抗,為了降低接地線阻抗,減小由地線間的雜散電感和分布電容造成的電路間的相互耦合,通常采用就近多點接地,把各電路的系統地線就近接至低阻抗地線上。一般來說,當電路的工作頻率高于10MHz時,應采用多點接地的方式。由于高頻電路的接地關鍵是盡量減小接地線的雜散電感和分布電容,所以其在接地的實施方法上與低頻電路有很大的區別。
整機系統通常采用混合接地。系統內的低頻部分需要采用單點接地,而高頻部分則要采用多點接地。通常把系統內部的地線分為電源地線、信號地線、屏蔽地線三大類。所有的電源地線都應接到電源總地線上,所有的信號地線都應接到信號總地線上,所有的屏蔽地線都應接到屏蔽總地線上,三根總地線最后匯總到公共的參考地(接地平面)上。
② 使用平衡差分電路,以盡量減少接地電路干擾的影響。在低電平電路的接地線必須交叉的地方,要使導線互相垂直。可以采用浮地隔離(如變壓器、光電)技術解決所出現的地線環路問題。
③ 對于那些將出現較大電流突變的電路,要有單獨的接地系統或單獨的接地回線,以減少對其他電路的瞬態耦合。
④ 需要用同軸電纜傳輸信號時,要通過屏蔽層提供信號回路。低于100kHz的低頻電路可在信號源端單點接地,高于100kHz的高頻電路則采用多點接地,多點接地時要做到每隔0.05λ~0.1λ有一個接地點。端接電纜屏蔽層時,應避免使用屏蔽層辮狀引出線,且屏蔽層接地不能采用辮狀接地,而應當讓屏蔽層包裹芯線,然后再讓屏蔽層360°接地。
⑤ 所有接地線要短。接地線要導電良好,避免高阻性。如果接地線長度接近或等于干擾信號波長的1/4時,其輻射能力將大大增加,接地線將成為天線。
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