PCB板噪聲原理和抑制.doc

1、電路板噪聲原理和噪聲抑制一：概述噪聲昨天貓貓思考了很久功放噪聲的問(wèn)題，所謂地線就是在信號(hào)線間并行存在的額外的一根線，其特點(diǎn)就是與信號(hào)線的距離很近，這樣就能收集到信號(hào)線脈沖時(shí)候所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電勢(shì)，從而在地線電路中形成電勢(shì)差，也就是地線噪聲，收集的意義就是能避免相鄰信號(hào)線之間相互感應(yīng)和干擾，提高各自信號(hào)線的信號(hào)純度，提高功能模塊的穩(wěn)定性，而地線收集到的噪聲必須妥善處理才能消除對(duì)信號(hào)線的影響。在模擬電路中的地線設(shè)計(jì)與數(shù)字電路中的地線設(shè)計(jì)，理論上要分開(kāi)走，這樣可以用不同標(biāo)準(zhǔn)的耦合電容去除，數(shù)字電路中的地線是DGND，模擬電路中的地線是AGND，而打磨三諾音箱中的功放部分，是典型的對(duì)模擬放大電路的打磨

2、，因此功放中提到的地線就是AGND。AGND 就是 analog groundDGND 就是 digital ground所謂干擾，必然是發(fā)生在不同的單元電路、部件或系統(tǒng)之間，而地線干擾是指通過(guò)公用地線的方式產(chǎn)生的信號(hào)干擾。注意這里所提到的信號(hào)，通常是指交流信號(hào)或者跳變信號(hào)。二：地線干擾的形式有人把它歸結(jié)成兩類(lèi)：地線環(huán)路干擾、公共阻抗干擾，我認(rèn)為應(yīng)該還要加上地線環(huán)路的電磁偶合干擾 A1、A2是級(jí)聯(lián)的兩個(gè)放大電路。由于PCB設(shè)計(jì)的客觀原因，各個(gè)電路單元在不同的板面位置，它們之間的連線必然有一定的長(zhǎng)度，這就形成了導(dǎo)線（銅鉑）電阻。導(dǎo)線的直流電阻雖然很小，大多數(shù)情況都可以忽略，但是對(duì)于交流信號(hào)來(lái)說(shuō)，

3、其感抗成分就不可以忽略不記，尤其是頻率比較高的時(shí)候更是如此。地線同樣是導(dǎo)線，因此同樣存在阻抗，因此上圖中的地線J、K、L、M、N，就不可以簡(jiǎn)單的看成是等電位連線了，應(yīng)該把它們各自看成一個(gè)電抗元件。有了這個(gè)基本概念，就很容易理解三種地線干擾了。2.1、地環(huán)路干擾如圖所示，由于地線阻抗的存在，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，就會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流較大時(shí)，這個(gè)電壓可以很大。例如附近有大功率用電器啟動(dòng)時(shí)，會(huì)在地線在中流過(guò)很強(qiáng)的電流。比如上圖中的“B單元電路”的地線電流，流經(jīng)地線K、L、（M、J、N），到達(dá)接地零點(diǎn)。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成影響。具體的說(shuō)就是“B單

4、元電路”的地線電流，在J、N、L、M形成的“地線環(huán)路”中，對(duì)放大器A1和A2造成了影響。由于這種干擾是由電纜與地線構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此成為地環(huán)路干擾。（本文是E道理原創(chuàng)技術(shù)文章，轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)明出處。）2.2、地環(huán)路電磁耦合干擾在實(shí)際電路的PCB上，J、N、L、M形成的“地線環(huán)路”將包圍一定的面積，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，如果這個(gè)環(huán)路所包圍的面積中有變化的磁場(chǎng)存在，就會(huì)在環(huán)路中產(chǎn)生感生電流，形成干擾?？臻g磁場(chǎng)的變化無(wú)處不在，于是包圍的面積越大干擾就越嚴(yán)重。2.3、公共阻抗干擾認(rèn)真考察上圖所示的電路結(jié)構(gòu)，我們將發(fā)現(xiàn)，J、N、L、M中，有一條連接是多余的，隨便去除其一，仍然可以滿足各個(gè)接地點(diǎn)的連通關(guān)系，

5、同時(shí)又可以消除地線環(huán)路。那么，將哪一條連線去除比較合理呢？這時(shí)就要考慮另一類(lèi)的干擾問(wèn)題?公共阻抗干擾。去除J：這是最差的方案。J去除后地線環(huán)路似乎消失了，可是另一個(gè)更可怕的環(huán)路又形成了（I、N、L、M），其中I是信號(hào)線，因此干擾比原來(lái)有線J時(shí)還要嚴(yán)重。去除M：環(huán)路消失，但是我們發(fā)現(xiàn)，此時(shí)放大器A2的地線電流需要流過(guò)J、N到達(dá)接地零點(diǎn)，注意N段是A1和A2共同的接地線，因此A2接地電流在N上形成的電壓降就加到了A1上，形成干擾。這種因共用一段地線而形成的干擾稱(chēng)為“公共阻抗干擾”。去除L：不僅不能解決A2與A1之間的公共阻抗干擾問(wèn)題，還引起了“B單元電路”與A1、A2之間的公共阻抗干擾問(wèn)題。去除N

6、：看來(lái)這是最后的方法。其實(shí)這樣做將使M成為A1、A2的“公用阻抗”，同樣形成干擾。還是存在問(wèn)題！但是，我們注意到，此法中的干擾是A1對(duì)A2的干擾，A2是后級(jí)，工作信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于A1，因此A1對(duì)A2的干擾，很難造成不良后果。最合理的走線方案是：去除N，然后將M的下端直接連到“接地信號(hào)零點(diǎn)”上。三：小結(jié)地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線時(shí)，會(huì)形成公共阻抗耦合。解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路，增加地環(huán)路的阻抗，使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地

7、線部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗。（E道理原創(chuàng)技術(shù)文章，轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)明出處四：PCB地線的干擾與抑制摘要：在PCB設(shè)計(jì)中，尤其是在高頻電路中，經(jīng)常會(huì)遇到由于地線干擾而引起的一些不規(guī)律、不正常的現(xiàn)象。本文對(duì)地線產(chǎn)生干擾的原因進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了地線產(chǎn)生干擾的三種類(lèi)型，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)提出了解決措施。這些抗干擾方法在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，使一些系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)成功運(yùn)行。    在單片機(jī)系統(tǒng)中，PCB(印制電路板)是用來(lái)支撐電路元件，并提供電路元件和器件之間電氣連接的重要組件，PCB導(dǎo)線多為銅線，銅自身的物理特性也導(dǎo)致其在導(dǎo)電過(guò)程中必然存在一定的阻抗

8、，導(dǎo)線中的電感成分會(huì)影響電壓信號(hào)的傳輸，電阻成分則會(huì)影響電流信號(hào)的傳輸，在高頻線路中電感的影響尤為嚴(yán)重，因此，在PCB設(shè)計(jì)中必須注意和消除地線阻抗所帶來(lái)的影響。五： 產(chǎn)生干擾的原因    電阻與阻抗兩個(gè)不同的概念。電阻指的是在直流狀態(tài)下導(dǎo)線對(duì)電流呈現(xiàn)的阻抗，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線對(duì)電流的阻抗，這個(gè)阻抗主要是由導(dǎo)線的電感引起的。由于地線總是存在阻抗，因此用萬(wàn)用表測(cè)量地線時(shí)，地線的電阻一般是mm級(jí)。    以PCB上一段長(zhǎng)10 cm、寬15 mm，厚度為50m的導(dǎo)線為例，通過(guò)計(jì)算可得到其阻抗的大小。R=Ls()，式中L為導(dǎo)線長(zhǎng)度(m)

9、，s為導(dǎo)線截面積(mm2)，為電阻率=0.02，因此該導(dǎo)線電阻值約為0026 。    當(dāng)一段導(dǎo)線與其他導(dǎo)線遠(yuǎn)離并且其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度時(shí)，導(dǎo)線的自感量為08 Hm，那么10 cm長(zhǎng)的導(dǎo)線的電感量是008H。再由下面的公式求出導(dǎo)線感抗：XL=2fL，下式中，f為導(dǎo)線通過(guò)信號(hào)的頻率(Hz)，L為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的自感量(H)。所以分別計(jì)算出該導(dǎo)線在低頻和高頻下的感抗值：        在實(shí)際電路中，造成電磁干擾的信號(hào)往往是脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)包含豐富的高頻成分，因此會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電壓。通過(guò)以上的公式計(jì)算可以看出

10、，在低頻信號(hào)傳輸中導(dǎo)線電阻大于導(dǎo)線感抗，對(duì)于數(shù)字電路，電路的工作頻率很高，在高頻信號(hào)中導(dǎo)線感抗要遠(yuǎn)大于導(dǎo)線電阻。因此，地線阻抗對(duì)數(shù)字電路的影響是十分可觀的。這就是電流流過(guò)小電阻時(shí)產(chǎn)生大壓降，導(dǎo)致電路工作異常的原因。六： 地線干擾機(jī)理6.1 地環(huán)路干擾地環(huán)路干擾是一種較常見(jiàn)的干擾現(xiàn)象，常常發(fā)生在通過(guò)較長(zhǎng)電纜連接并且相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間。地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。如圖1所示是兩個(gè)接地的電路。    由于兩個(gè)設(shè)備的地電位不同，形成地電壓，在這個(gè)電壓

11、的驅(qū)動(dòng)下，“設(shè)備1一互聯(lián)電纜一設(shè)備2一地”形成的環(huán)路之間有電流流動(dòng)。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成干擾。    由于地環(huán)路干擾是因地環(huán)路電流而導(dǎo)致的，因此有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把一個(gè)設(shè)備的地線斷開(kāi)后，干擾現(xiàn)象消失，這是因?yàn)榈鼐€斷開(kāi)時(shí)切斷了地環(huán)路。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在低頻干擾的場(chǎng)合，當(dāng)干擾頻率較高時(shí)，斷開(kāi)地線與否關(guān)系不大。6.2 公共阻抗干擾在數(shù)字電路中，由于信號(hào)的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時(shí)，當(dāng)幾個(gè)電路共用一段地線時(shí)，由于地線的阻抗，一個(gè)電路的地電位會(huì)受另一個(gè)電路工作電流的調(diào)制，這樣一個(gè)電路中的信號(hào)會(huì)耦合進(jìn)另一個(gè)電路，這種

12、耦合稱(chēng)為公共阻抗耦合。    解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗圖2的例子說(shuō)明了一種干擾現(xiàn)象。圖2是一個(gè)有四個(gè)門(mén)電路組成的簡(jiǎn)單電路。假設(shè)門(mén)1的輸出電平由高變?yōu)榈停@時(shí)電路中的寄生電容(有時(shí)門(mén)2的輸入端有濾波電容)會(huì)通過(guò)門(mén)1向地線放電，由于地線的阻抗，放電電流會(huì)在地線上產(chǎn)生尖峰電壓，如果這時(shí)門(mén)3的輸出是低電平，則這個(gè)尖峰電壓就會(huì)傳到門(mén)3的輸出端，門(mén)4的輸入端，如果這個(gè)尖峰電壓的幅度超過(guò)門(mén)4的噪聲門(mén)限，就會(huì)造成門(mén)4的誤動(dòng)作。 6.3 地環(huán)路電磁耦合干擾    圖1所示的“地線環(huán)路”將包圍一定的

13、面積，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，如果這個(gè)環(huán)路所包圍的面積中有變化的磁場(chǎng)存在，就會(huì)在環(huán)路中產(chǎn)生感生電流，形成干擾?？臻g磁場(chǎng)的變化無(wú)處不在，于是包圍的面積越大干擾就越嚴(yán)重。七： 解決地線干擾的方法7.1 解決地環(huán)路干擾 綜述   解決地環(huán)路干擾的基本思路有3個(gè)：一個(gè)是減小地線的阻抗，從而減小干擾電壓，但是這對(duì)第二種原因?qū)е碌牡丨h(huán)路干擾沒(méi)有效果。第二個(gè)方法是改變接地結(jié)構(gòu)，將一個(gè)機(jī)箱的地線連接到另一個(gè)機(jī)箱上，通過(guò)另一個(gè)機(jī)箱接地，這就是單點(diǎn)接地的概念。第三個(gè)是增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無(wú)限大時(shí)，實(shí)際是將地環(huán)路切斷，即消除了地環(huán)路。因此提出以下幾種解決地環(huán)路干擾的方

14、案。   7.2方法一將一側(cè)的設(shè)備浮地    如果將一側(cè)電路浮地，就切斷了地環(huán)路，因此可以消除地環(huán)路電流。但有兩個(gè)問(wèn)題需要注意，一個(gè)是出于安全的考慮，不允許電路浮地。這時(shí)可以考慮將設(shè)備通過(guò)一個(gè)電感接地。這樣對(duì)于50 Hz的交流電流設(shè)備接地阻抗很小，而對(duì)于頻率較高的干擾信號(hào)，設(shè)備接地阻抗較大，減小了地環(huán)路電流。但這樣做只能減小高頻干擾的地環(huán)路干擾。另一個(gè)問(wèn)題是，盡管設(shè)備浮地，但設(shè)備與地之間還是有寄生電容，這個(gè)電容在頻率較高時(shí)會(huì)提供較低的阻抗，因此并不能有效地減小高頻地環(huán)路電流。   7.3使用變壓器

15、0; 解決地環(huán)路干擾的最基本方法是切斷地環(huán)路。用隔離變壓器就起到這個(gè)作用，兩個(gè)設(shè)備之間的信號(hào)傳輸通過(guò)磁場(chǎng)耦合進(jìn)行，而避免了電氣直接連接。這時(shí)地線上的干擾電壓出現(xiàn)在變壓器的初次級(jí)之間，而不是在電路的輸入端。提高變壓器高頻隔離效果的一個(gè)辦法是在變壓器的初次級(jí)之間設(shè)置屏蔽層。但一定要注意隔離變壓器屏蔽層的接地端必須在接受電路一端。否則，不僅不能改善高頻隔離效果，還可能使高頻耦合更加嚴(yán)重。因此，變壓器要安裝在信號(hào)接收設(shè)備的一側(cè)。    變壓器隔離的方法有一些缺點(diǎn)，不能傳輸直流，體積大，成本高。由于變壓器的初次級(jí)之間有寄生電容，因此高頻時(shí)的隔離效果不是很好。 &#

16、160; 7.4.使用光隔離元件  用光傳輸信號(hào)是解決地環(huán)路問(wèn)題的理想方法。如圖3所示，光耦器件的寄生電容為2 pF左右，因此能夠在很高的頻率起到隔離作用。如果使用光纖，則沒(méi)有寄生電容的問(wèn)題，能夠獲得十分完善的隔離效果。但是，用光纖會(huì)帶來(lái)其它問(wèn)題，如：需要更大的功率、需要更多的外圍器件，光連接的線形和動(dòng)態(tài)范圍都達(dá)不到模擬信號(hào)的要求、光纜的安裝和維護(hù)比較復(fù)雜等，使用時(shí)應(yīng)注意。   7.5.使用共模扼流圈   地線電壓實(shí)際是一種共模電壓，在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，電纜中流過(guò)的電流是共模電流。在連接電纜上使用共模扼流圈相當(dāng)于增加了地環(huán)路的阻抗，這

17、樣在一定的地線電壓作用下，地環(huán)路電流會(huì)減小。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容，否則對(duì)高頻干擾的隔離效果很差。共模扼流圈的匝數(shù)越多，則寄生電容越大，高頻隔離的效果越差。   7.6。平衡電路對(duì)地環(huán)路干擾的抑制    平衡電路的定義是兩個(gè)導(dǎo)體及其所連接的電路相對(duì)于地線或其他參考物體具有相同的阻抗。    高頻時(shí)平衡是很困難的，實(shí)際的電路會(huì)有很多寄生因素，如寄生電容、電感等。這些參數(shù)在頻率較高時(shí)對(duì)電路阻抗發(fā)揮著較大作用。由于這些寄生參數(shù)的不確定性，電路的阻抗也是不確定的，因此很難保證兩個(gè)導(dǎo)體的阻抗完全相同。因此

18、，在高頻時(shí)，電路平衡性往往較差，這意味著：平衡電路對(duì)頻率較高的地環(huán)路電流干擾抑制效果較差。7.7 消除公共阻抗耦合   消除公共阻抗耦合的途徑有兩個(gè)：一個(gè)是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個(gè)方法是通過(guò)適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強(qiáng)電電路與弱電電路共用地線，數(shù)字電路與模擬電路共用地線等。并聯(lián)接地的缺點(diǎn)是接地的導(dǎo)線過(guò)多。因此在實(shí)際中，沒(méi)有必要所有電路都并聯(lián)單點(diǎn)接地，對(duì)于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點(diǎn)接地。例如，可以將電路按照強(qiáng)信號(hào)，弱信號(hào)，模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)等分類(lèi)，然后在同類(lèi)電路內(nèi)部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，如圖4所示，不同類(lèi)型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，如圖5所示。當(dāng)信號(hào)頻率低于1 MHz時(shí)可采用單點(diǎn)接地的方法，使其不形成回路。信號(hào)頻率高于10 MHz時(shí)最好采用多點(diǎn)接地，盡量降低地線阻抗。電源線與地線應(yīng)盡量靠近走線以減少所包圍的環(huán)路面積，從而減少外界磁場(chǎng)對(duì)環(huán)路切割產(chǎn)生的電場(chǎng)干擾，同時(shí)也減少環(huán)路對(duì)外電磁輻射。     如前所述，減小地線阻抗的核心問(wèn)題是減小地線的電感?？梢允褂帽馄綄?dǎo)體做地線