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[第一部分開(kāi)始討論接地：何時(shí)考慮接地，機箱材料如何影響接地，以及接地環(huán)路問(wèn)題。第二部分討論了電源回路和I/O信號接地] 1.1.8 板間接口信號 有一類(lèi)信號我們還沒(méi)有討論到，那就是在某個(gè)裝置中從一塊電路板傳送到另一塊電路板的那些信號。一般這些信號是已經(jīng)處理過(guò)的數字控制信號或模擬信號，因此電平不會(huì )很低，不容易受地噪聲的影響，電流也不會(huì )太高而產(chǎn)生顯著(zhù)的噪聲。為了全面地考察地回路，這些信號不應該被遺漏：?jiǎn)?wèn)題是，對它們要做些什么？ 答案通常是什么也不做。如果板間信號明確不包含地回路，那么信號返回電流必須沿電源連線(xiàn)流動(dòng)，因此接口將承受這些線(xiàn)上存在的所有地注入噪聲Vn(圖1.12)。 圖1.12 板間的地噪聲。 不過(guò)如果你的接地方案是經(jīng)過(guò)深思熟慮的，那么這些噪聲可能還不足以影響接口的工作。例如，100mV的噪聲串行注入到噪聲余量為1V的CMOS邏輯接口是沒(méi)有直接影響的�；蛘�，交流噪聲注入到接口輸入端采用了很好濾波的直流模擬信號也是可以忍受的。 分割信號回路 偶然會(huì )有長(cháng)距離地回路的情況，這對接口是不太好的。典型情況有： ● 當傳送的是高速數字信號，而地回路又具有太大電感時(shí)，將導致信號過(guò)渡處發(fā)生振鈴； ● 當連接的是不能忍受注入噪聲的精密模擬信號或低電壓直流差分信號時(shí)。 如果你試圖為感興趣的信號提供局部板間地線(xiàn)來(lái)解決這些問(wèn)題的話(huà)，你可以需要冒為電源返回電流提供另一條路徑的風(fēng)險，從而達不到局部地線(xiàn)的目的。只有一部分電源返回電流將在本地鏈路中流動(dòng)(圖1.13)，具體比例取決于相關(guān)阻抗，你可能會(huì )退回到起點(diǎn)。 圖1.13 經(jīng)過(guò)板間鏈路的電源返回電流。 如果你真的需要局部信號回路，但地返回電流用起來(lái)又有麻煩，那么你可以采用下面兩種方法： ● 將接口輸入側的地回路(圖1.14)和PCB上的其它地分割開(kāi)來(lái)。這樣做可以具有將板內的地噪聲注入點(diǎn)移到輸入緩沖器之后的效果，從而達到你的目的。這種方案在實(shí)施時(shí)需要在空隙X-X中放置一個(gè)幾歐姆的“阻塞”電阻。這樣可以阻止直流地的電流流動(dòng)，因為它的阻抗相對高于正確地路徑的阻抗，但它在高頻時(shí)能有效地將輸入緩沖器連接到其父地，如果板間鏈路斷開(kāi)時(shí)能夠防止它懸浮。 ● 在接口處使用差分連接。這時(shí)的信號電流是平衡的，不需要地回路。任何地噪聲都以共模方式注入，并被輸入緩沖器所抵消。當高速或低電平信號必須相隔一定距離通信時(shí)，這種技術(shù)很常見(jiàn)，對于板間電平信號來(lái)說(shuō)這種技術(shù)也是適用的。當然，這種技術(shù)比典型的單端接口要昂貴，因為它需要專(zhuān)門(mén)的緩沖驅動(dòng)器和接收器。 圖1.14 分割地回路。 【系列文章】 第一部分：[ 電路設計師指導手冊(1)：接地與布線(xiàn)] 第二部分：[電路設計師指導手冊(2)：電源返回路徑與I/O信號接地] 第四部分：[電路設計師指導手冊(4)：安全地以及電線(xiàn)/電纜] 第五部分：[電路設計師指導手冊(5)：射頻電纜、雙絞線(xiàn)與串擾] 1.1.9 星-點(diǎn)接地 選擇電路中的一個(gè)點(diǎn)、然后將所有地回路接到這個(gè)點(diǎn)是可以當作電路規則的一種技術(shù)。這個(gè)點(diǎn)被稱(chēng)為“星點(diǎn)”。圖1.2顯示了這種技術(shù)在將機箱、市電地、電源地和0V回路連接到一個(gè)點(diǎn)時(shí)的有限應用。這個(gè)點(diǎn)還能被用作印刷電路版圖上的局部子地點(diǎn)。 當需要實(shí)現的連接數量相對較少時(shí)，這是一種有用而且很簡(jiǎn)潔的技巧，特別是它還能為電路測量提供公共的參考點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)能夠和用于輸出電壓的類(lèi)似星點(diǎn)一起用作檢測電源電壓的參考(見(jiàn)圖1.2)。當到達這個(gè)點(diǎn)的連線(xiàn)較多時(shí)，會(huì )變得越來(lái)越亂，因此不應取代對預期地電流回路的全面分析。 圖1.2 典型的單元內部走線(xiàn)機制。 【系列文章】 第一部分：[ 電路設計師指導手冊(1)：接地與布線(xiàn)] 第二部分：[電路設計師指導手冊(2)：電源返回路徑與I/O信號接地] 第四部分：[電路設計師指導手冊(4)：安全地以及電線(xiàn)/電纜] 第五部分：[電路設計師指導手冊(5)：射頻電纜、雙絞線(xiàn)與串擾] 1.1.10 裝置之間的地連接 許多接地技術(shù)方面的理論在遇到多個(gè)互聯(lián)裝置時(shí)都要求進(jìn)行拆分。這是因為設計師通常都沒(méi)法控制安裝哪個(gè)裝置，或者迫于安全相關(guān)或其它安裝操作的壓力要應對有悖于良好接地操作的情況。 兩個(gè)市電供電的裝置之間有一根(或多根)信號線(xiàn)連接就是一種典型案例(圖1.15)。這是一種最容易解釋和觀(guān)察的情形。實(shí)際裝置可能要復雜得多，比如要處理多個(gè)裝置，或者不同甚至矛盾的接地機制，或者采用了額外機械性的綁定方式。 圖1.15 通過(guò)市電實(shí)現裝置間的地連接。 這種配置與圖1.12是完全相似的。用Vn表示的地噪聲通過(guò)市電地導體實(shí)現耦合，它是不可預測和不可控制的。 如果兩個(gè)裝置被插入同一市電插座，這時(shí)噪聲雖然永遠不可能是零，但很小， 因為某些噪聲只是因為設備市電電纜中的火線(xiàn)和零線(xiàn)靠得很近才感應到的。 但這種配置無(wú)法被套用：可能所用的插座相隔較遠的距離，甚至在不同的配電環(huán)上，在后面這種情況下，地線(xiàn)路徑會(huì )很長(cháng)，可能包含多種噪聲注入源。注入噪聲的絕對值可以從非常安靜地點(diǎn)的不到mvRMS到幾伏甚至幾十伏，就像1.1.6小節提及的那樣。這種噪聲實(shí)際上與信號連線(xiàn)串接在一起。 為了將每個(gè)裝置中的信號地連接到一起，通常會(huì )將地回線(xiàn)與同一電纜中的信號一起走，但是這樣做后： ● 噪聲電流會(huì )在信號地中流動(dòng)，因此地回路阻抗(Rs)遠小于噪聲源阻抗(Rn)很重要——通常是這樣，但不是一成不變的——否則地注入噪聲將無(wú)法減��； ● 形成了地環(huán)路(圖1.16，可以與1.1.4小節進(jìn)行比較)，根據其自然特性，這個(gè)環(huán)的面積可能會(huì )很大，而且可變，會(huì )穿過(guò)各種磁場(chǎng)源，因此感應到的地電流會(huì )成為真正的危險源。 圖1.16: 通過(guò)信號和市電大地形成的地環(huán)路。 分割地鏈路 如果信號電路的易感性達到預期的環(huán)境噪聲會(huì )影響它的程度，那么你將有許多可能的設計選項： ● 使一個(gè)或其它裝置處于懸浮狀態(tài)(斷開(kāi)它的市電地連接)，這樣就斷開(kāi)了市電引線(xiàn)中的地環(huán)路。如果是電池供電的設備，實(shí)際上已經(jīng)做到了這一點(diǎn)，事實(shí)上這也是使用電池供電儀器的一個(gè)充足理由。在一類(lèi)安全(接大地)的市電供電設備上是不能這樣做的，因為這樣做違反了安全保護規定。 ● 正如早前提及的板間信號那樣，通過(guò)差分鏈路傳送信號信息。雖然這時(shí)對信號來(lái)說(shuō)地回路是不必要的，但還是建議包含一個(gè)地回路，用于在裝置之間的電壓差太大時(shí)提供保護�，F在噪聲信號相對于有用信號以共模的形式注入，會(huì )被輸入電路的共模抵制功能所衰減。這種共模信號可以高達電路的工作極限——通常達幾伏。 ● 從電氣上隔離接口。這涉及到將直接電氣連接全部斷開(kāi)，通過(guò)其它方式傳送信號，比如放大器、光耦或光纖鏈路。這種方法允許裝置在幾百伏甚至更高的噪聲環(huán)境中正常通信，可忍受的噪聲大小取決于隔離的額定電壓。從另一方面看，這種方法有助于在用其它方法無(wú)法消除的相對適量的噪聲環(huán)境中實(shí)現低電平交流信號的傳輸。 【系列文章】 第一部分：[ 電路設計師指導手冊(1)：接地與布線(xiàn)] 第二部分：[電路設計師指導手冊(2)：電源返回路徑與I/O信號接地] 第四部分：[電路設計師指導手冊(4)：安全地以及電線(xiàn)/電纜] 第五部分：[電路設計師指導手冊(5)：射頻電纜、雙絞線(xiàn)與串擾] 1.1.11 屏蔽 這里必須要提及一些屏蔽裝置間電纜的技術(shù)，雖然這些技術(shù)作為第8章的主題更為合適。屏蔽電纜用于防止信號線(xiàn)拾取噪聲，或防止電源或信號線(xiàn)輻射噪聲。這種看起來(lái)很簡(jiǎn)單的功能在實(shí)際應用中其實(shí)并不那么簡(jiǎn)單。屏蔽電纜的特性將在后面詳細討論(見(jiàn)1.2.4小節)，這里主要介紹如何使用屏蔽電纜。 在電纜的哪一頭連接屏蔽層，連接到什么地方？沒(méi)有一個(gè)正確的答案，因為與具體應用有關(guān)。如果電纜用于連接兩個(gè)都包含在屏蔽外殼內以阻止射頻能量出入的裝置時(shí)，電纜屏蔽層必須被認為是外殼的延伸，因此兩端都必須通過(guò)低電感方式連接到屏蔽外殼，最好是連接器屏蔽體本身。 圖1.17：射頻電纜屏蔽連接。 這是電磁兼容規則的典型應用，在8.5和8.7小節將有更完整地討論。需要注意的是，如果兩個(gè)裝置外殼自身是分開(kāi)接地的，那么這樣做將(再次)形成地環(huán)路。因為地環(huán)路是一種磁耦合危險因素，而在較高頻率時(shí)磁耦合的重要性會(huì )降低，因此當屏蔽的目的是要減少高頻噪聲時(shí)，通常這樣做不是問(wèn)題。如果你既想屏蔽高頻，又想屏蔽低頻，那么就有難度了，因為在低頻時(shí)你只能在一端將屏蔽層接地。在這種情況下，你可能需要使用雙屏蔽電纜這種昂貴的方法了。 屏蔽層不應用于承載信號回路電流，除非是射頻信號，而且你用的是同軸電纜。否則感應進(jìn)來(lái)的噪聲電流將疊加到信號上，降低屏蔽效果。一般情況下，你要使用屏蔽對來(lái)承載高阻抗低電平的輸入信號，因為這種信號很容易發(fā)生電容性耦合。(電纜屏蔽對磁耦合無(wú)效，對抗磁耦合的最佳方法是用雙絞線(xiàn)) 哪一端接地才能實(shí)現低頻屏蔽 如果輸入源是懸浮的，那么屏蔽層可以在放大器輸入端接地。周?chē)鷰腋∑帘螝さ脑纯梢詫⑦@個(gè)屏蔽殼連接到電纜的屏蔽層。但是，如果源的屏蔽殼本身是接地的，那么連接電纜屏蔽層將形成地環(huán)路，這是不合適的：屏蔽層中感應到的地環(huán)路電流將耦合進(jìn)信號導體。一個(gè)或其它電纜屏蔽端應處于懸浮狀態(tài)，具體取決于在另外一端存在的不可避免通過(guò)容性耦合到地的噪聲相對數值(Cc)。如果你有得選擇，通常是源端(可能是換能器或傳感器)具有較低的耦合電容，因此這端應該懸浮。 如果源是單端或接地的，那么電纜屏蔽層應該在源端接地，(差分)輸入端要么懸浮，要么通過(guò)扼流圈或低值電阻連接到放大器的地。這樣可以保持直流和低頻信號的連續性，同時(shí)阻止沿屏蔽層感應到的較大高頻電流的流動(dòng)。屏蔽層不應在信號的對端接地。圖1.18顯示了這種應用方式。 圖1.18 電纜屏蔽連接選項。 靜電屏蔽 當你使用屏蔽電纜防止來(lái)自輸出或裝置間線(xiàn)纜的靜態(tài)輻射時(shí)，地環(huán)路感應通常不是問(wèn)題，因為信號不容易受到影響，而電纜屏蔽層的兩端最好都連接到地。重點(diǎn)是，每個(gè)導體都有一個(gè)分布式(而且是可測量的)電容到屏蔽層，因此只要在屏蔽層內有交流信號傳輸，屏蔽層上面就會(huì )有電流流動(dòng)。 圖1.19 導體到屏蔽層的耦合電容。 必須為這些屏蔽層電流提供低阻抗的地回路才能使屏蔽層電壓不會(huì )變得顯著(zhù)。當你考慮屏蔽層上感應的噪聲耦合進(jìn)導體的問(wèn)題時(shí)，則要反過(guò)來(lái)采取同樣的措施。 表面傳輸阻抗 在高頻應用中，表面傳輸阻抗概念非常有用，可以用來(lái)衡量屏蔽效果。它是由于屏蔽層中干擾電流流動(dòng)引起的屏蔽電纜內部和外部導體之間產(chǎn)生的電壓比值，單位是每單位長(cháng)度毫歐姆。不要把表面傳輸阻抗與特征阻抗混為一談，特征阻抗是沒(méi)有連接時(shí)的阻抗。 典型的單辮編織屏蔽層的表面傳輸阻抗在1MHz以下大約是10mΩ/m，并隨著(zhù)頻率的增加，以20dB/10倍頻的速率上升。常見(jiàn)的鋁/聚脂薄膜屏蔽層的這個(gè)指標更糟糕，為20dB左右。遺憾的是，電纜制造商很少規定表面傳輸阻抗這個(gè)指標。 【系列文章】 第一部分：[ 電路設計師指導手冊(1)：接地與布線(xiàn)] 第二部分：[電路設計師指導手冊(2)：電源返回路徑與I/O信號接地] 第四部分：[電路設計師指導手冊(4)：安全地以及電線(xiàn)/電纜] 第五部分：[電路設計師指導手冊(5)：射頻電纜、雙絞線(xiàn)與串擾] |
