3.9 电路板上的地线设计

在电子、电气设备中电路板是必不可少的部分，几乎所有的电子元器件都是安装在电路板上的。上一节所讨论的接地原理在电路板上是同样适用的，例如，数字电路与模拟电路的地线要分开，只在一点连接等。

对于数字电路的电路板更需要特别注意，由于数字电路工作在脉冲状态，而脉冲信号有很多高次谐波，虽然数字电路的同步时钟频率可能并不高，但是所包含的频率可能很高。因此，数字电路的地线设计要按高频的情况处理。

地线噪声可能导致逻辑状态错误，因此数字电路对地线上的噪声是非常敏感的。图 3-30 所示是一个数字电路地线噪声导致问题的例子。地线干扰的过程如图3-31所示。

地线上的这些干扰电压不仅会引起电路的误动作，还会造成对外的传导和辐射骚扰。为了减小这些干扰的影响，必须尽量减小地线的阻抗。表 3-2 所示是电路板上走线的典型阻抗值，设电路板铜箔的厚度为 30μm。电路板上的走线的阻抗也是由电阻成分与电感成分两部分构成的。当频率较高时，电感成分形成的感抗成为主要因素。因此，从表3-2中可以看出，当频率较高时，走线的宽度对阻抗的影响并不大。要减小走线的阻抗，必须减小其电感成分。

前面讲过，虽然增加走线的宽度可以减小电感，但是宽度变化对电感的影响并不大，因为走线的宽度与电感是对数关系，若宽度增加一倍，电感量仅减小20%。若希望电感量减小为原来的一半，则需要宽度变成原来的5倍。如果电路板上有足够的空间，应该尽可能地增加走线宽度，但是要大幅度减小电感则必须另想办法了。

可以将两根导线并联起来使用，以减小总的电感量，当用两根平行的导线作为地线时，它们上面的电流是同方向的，这时总电感量为

式中 L ₁ ，L ₂ —两个导体的电感；

M—两个导体之间的互感。

若L ₁ =L ₂ ，则

当两个导体靠得很近时，互感等于单个导体的自感，总电感基本没有减小。当两个导体距离较远时，互感可以忽略不计，总电感为原来的 1/2。因此，多根导体并联可以更有效地降低地线电感，但是要注意并联的导体不能靠得很近，一般两根导线的距离大于1cm时效果最佳。

在电路板上可以通过铺设地线网格的方法实现这个概念。地线网格的做法是在双层印制板的两面分别铺设水平和垂直的地线，在它们交叉的地方用金属化过孔连接起来，且每根平行导线之间的距离要大于 1cm，如图3-32所示。

在双层线路板上布置地线网格时，很多工程师会认为，电路板上的走线本来已经密度很高了，没有空间来布置这些地线。通常的做法是首先将信号线布好，然后再在有空间的地方插入地线。但是，这种做法其实是不对的。从观念上讲是对地线的作用没有充分认识。只有良好的地线才能使整个电路稳定工作，因此，即使空间再紧张，也必须保证地线的位置。

布置地线网格的正规做法：首先铺设地线网格，然后再铺设信号走线。其实，地线并不一定要很宽，只要有一根就比没有强。这一点很容易理解，因为高频情况下，阻抗并不是由导线的粗细所决定的。由于整个系统的地线由很多细线组成，因此也不用担心过细的导线会增加直流电流的电阻，实际的地线截面积是这些细线的总和。

利用这种方法进行布线，可以有效地抑制电磁干扰，并且不增加任何成本。如果要想取得更好的效果，可以使用多层电路板中的一层专门作为地线，但是这样会增加一部分成本。

为了验证地线网格减小地线噪声的效果，研究人员做过一个试验，这个试验是在一个线路板上用同样方法安装 16 片芯片，所不同的仅是地线的连接方式，一个串联单点接地，另一个是地线网格。在采用地线网格的线路板上，不同点之间的地线噪声大大降低了。最明显的两点（IC15—IC16）之间的噪声从 1002mV 降低到 100mV。试验结果如表 3-3 所示（表中数据为实测值）。