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3.3 信号地

信号地是指电路中各种电压信号的电位参考点,这是大部分电路的教科书中对信号地的定义。因此,地线电位为系统中的所有电路提供了一个电位基准。所以在设计电路时,要将所有标有地线符号的点连接到一起,使所有电路具有相同的参考电位。

这个定义与其说是地线的定义,不如说是对地线电位的一种假设。因为,这个定义实际上并没有反映地线的真实情况。也就是说,假设地线上的电位是一定的,就以这个假设的等电位作为整个电路的电位参考点。但是,实际电路的地线上的电位并不是一定的,因此就导致了实际情况与假设前提相矛盾的情况,既然假设的条件都不正确,电路工作异常也就是十分正常的事了。这就是地线所导致的电磁干扰问题。

地线连接不当会导致干扰问题的现象,对于经验丰富的电路工程师是再熟悉不过的了,在调试电路时,可以尝试着改变地线的连接方式,大家会发现,有时仅将地线的连接方式改变一下,干扰问题就会改善,这是因为改变地线连接方式后,地线的电位情况恰好符合了假设条件,也就是说,保持了地线的等电位。

从信号源发送到负载的信号电流最终消失在哪里了呢?在几乎所有的电路教材中,都忽略了这个问题的解释。根据电流连续性定律,流进一个节点的电流总量总是等于流出这个节点的电流总量。但是,流进负载的电流,从哪里流出了呢?从信号源流出的电流又从哪里流回信号源呢?实际上,这些电流的路径就是地。只不过在画电路图的时候,没有专门画出地线,而是用一个地线符号来表示,所有的地线符号都需要连接在一起,自然构成了一个电流的回路。因此,地线更客观的定义应该是,地线电流流回信号源的低阻抗路径。

这个定义突出了电流的流动,反映了地线的真实情况。当电流流过有限阻抗时,必然会导致电压降,因此地线上的电位不会相同,这个定义反映了实际地线上的电位情况,这与电路设计中对地线电位的假设完全不同,从而揭开了地线干扰问题的面纱。

另外,这个定义中强调的是低阻抗路径。因为电流的一个特性就是总是选择阻抗最小的通路,地线电流也是如此。通常在设计线路板或进行系统组装时,只是随便地将所有地线符号连接起来,可是我们想一想,这种连接是否真正提供了一条阻抗最小的路径呢?实际上,我们所连接的地线并不一定是阻抗最低的路径,也就是说,真正的地线并不一定是实际所连接的那样。

很多工程师并不知道地线电流的真实情况,一旦出现地线导致的干扰问题,往往会感到莫名其妙,也很难找出一个方案来解决。这是因为,在没有认真进行地线设计的情况下,地线电流实际是处于一种不可控的状态,地线电流会自己打通一条阻抗最低的路径流回信号源。

综上所述,地线是电流的回流路径,所以其对于电磁干扰来说是相当重要的。地线所导致的电磁干扰问题的实质如下:

(1)地线电流及地线阻抗导致地线各点电位不同,这与地线电位是一定的假设相矛盾,导致电路工作异常;

(2)由于地线设计不当导致信号电流回路面积较大,这种面积较大的电流回路会产生很强的电磁辐射,导致辐射干扰的问题;

(3)较大的信号回路面积会令电路之间的互感耦合增加,导致电路工作异常。

另外,较大的信号回路面积还会增加电路对外界电磁场的敏感性。

因此,在电路设计时,要精心设计地线,做到“两小”:地线阻抗要尽量小,地线环路面积尽量小。地线阻抗要尽量小的目的是,保证作为参考电位的地线电位尽量符合电位一致的假设。地线环路面积尽量小的目的是,为信号电流提供一条低阻抗的路径,使信号电流的回流处于受控状态,控制信号电流的回路面积减小天线效应。 4nxZFwmgg5PH4iWtV+Z/THkBJR8vW/NqexbbVOSvG74rnoijAjerTfnO+r17c/Xl

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