PCBブログ - PCBボード配線における接地線干渉の解析と抑制方法

1. Definition of ground wire
What is a ground wire on PCBボード? 誰もが教科書で学ぶ接地線の定義は、接地線は、回路電位の基準点として働く等価電位体である. この定義は実際の状況に合わない. 実際の接地線の電位は一定ではない. あなたが地上線の点の間のポテンシャルを測るメーターを使うならば, あなたは、地上線上の各点の可能性が大いに異なるかもしれないとわかります. それは、回路の異常な動作を引き起こすこれらの潜在的な違いです. 等価ポテンシャル体である回路の定義は、接地電位に対する期待にすぎない. ヘンリーは接地線のより現実的な定義を与えた, 彼は、接地線を以下のように定義した。信号に対する低インピーダンス経路はソースに戻る. この定義では、接地線の電流の流れが強調表示される. この定義によると, 接地線の電位差の原因を理解するのは容易である. 接地線のインピーダンスがゼロでないので, 有限インピーダンスに電流が流れるとき, 電圧降下が起こる. したがって, 地上線のポテンシャルは海の波のようだ, 次々に.

2. The impedance of the ground wire
When it comes to the potential difference between the points on the ground wire caused by the impedance of the ground wire, 多くの人々は考えられないとわかります：オーム線で接地線の抵抗を測定するとき, 接地線の抵抗は、しばしばミリオームレベルである, そのような小さな抵抗器を通して電流が流れるとき、このような大きな電圧降下はどのように起こり得るか, 異常に動作する回路を引き起こす. この問題を理解する, 我々は、ワイヤーの抵抗とインピーダンスの2つの異なる概念を最初に区別しなければならない. 抵抗は、DC状態の電流へのワイヤの抵抗を意味する, そして、インピーダンスはAC状態の電流に対するワイヤの抵抗値を指す, これは主にワイヤのインダクタンスに起因する. どんなワイヤにもインダクタンスがある, そして、周波数が高いとき, 電線のインピーダンスは直流抵抗よりはるかに大きい. 実際回路で, 電磁干渉を引き起こす信号はパルス信号である, そして、パルス信号は、豊富な高周波成分を含む, そのため、接地線に大きな電圧が発生する. デジタル回路, 回路の動作周波数は非常に高い, したがって、接地線インピーダンスがデジタル回路に与える影響は非常に大きい. 10 HzのインピーダンスがDC抵抗として近似的に考慮されるならば, 周波数が10 MHzに達するとわかる, 1メートルの長線用, そのインピーダンスは1000〜100である,直流抵抗の000倍. RF電流, 電流が接地線12を流れるとき, 電圧降下は大きい. また、ワイヤの直径を大きくすることは、DC抵抗を低減するのに非常に効果的であることが表から分かる, しかし、ACインピーダンスを減少させる効果は限られている. しかし、電磁両立性, 人々はACインピーダンスを心配している. 交流インピーダンスを低減するために, 効果的な方法は、並列に複数のワイヤーを接続することです. つのワイヤーが平行に接続されるとき, the total inductance L is: L = ( L1 + M ) / 2L 1が単一のワイヤのインダクタンスである場合, そして、Mは2つの線の間の相互インダクタンスです. つのワイヤーが遠く離れているとき、それは式からわかることができます, それらの間の相互インダクタンスは非常に小さい, そして、合計インダクタンスは、単一のワイヤのインダクタンスの半分に等しい. したがって, 複数の接地線を通して接地インピーダンスを低減することができる. しかし、複数のワイヤー間の距離があまりに近くないことに注意されるべきです.

3. Ground wire interference mechanism
3.1 Ground loop interference
Because of the ground wire impedance, 電流が接地線に流れるとき, 接地線に電圧が発生する. この電圧は電流が大きいとき大きくなる. 例えば, 近くで高出力の電気器具が始まるとき, 強い電流が接地線12を流れる. この電流は2つのデバイス間の接続ケーブルに電流を生成する. 回路のアンバランスにより, 各線の電流は異なる, したがって、差動モード電圧が生成される, 回路に影響を与える. この干渉はケーブルと接地線によって形成されるループ電流によって発生するので, グランドループ干渉となる. 接地ループ内の電流は外部電磁場によっても誘導され得る.

3.2 Common Impedance Interference
When two circuits share a ground wire, つの回路の接地電位は接地線のインピーダンスによって他方の回路の動作電流によって変調される. そのような回路の信号は別の回路に結合される, この結合を共通インピーダンス結合と呼ぶ. デジタル回路, 信号の高周波のために, 接地線はしばしば大きなインピーダンスを示す. この時に, 接地線のセクションを共有する異なった回路があるならば, 共通インピーダンス結合の問題が生じる. ゲート1の出力レベルがハイからローへ変化すると仮定する, the parasitic capacitance in the circuit (sometimes there is a filter capacitor at the input of gate 2) will discharge to the ground wire through gate 1. 接地線のインピーダンスにより, 放電電流は、接地電圧にピーク電圧が発生する. この時点でゲート3の出力が低い場合, ピーク電圧はゲート3の出力端子及びゲート4の入力端子に伝達される. このピーク電圧の振幅がゲート4のしきい値のノイズを超える場合, ドア4の不具合が発生します.

4. Ground wire interference countermeasures
4.1つの接地ループ対策は、グランドループの電流が低減される限り、グランドループ干渉のメカニズムから、接地ループ干渉を低減できることが知られている. グランドループ内の電流を完全に除去することができる, 接地ループ干渉の問題は完全に解決できる. したがって, 接地ループ干渉を解決するための次の解決策を提案する.
1) Floating the equipment at one end If the circuit at one end is floated, グランドループは遮断される, したがって、接地ループ電流を除去することができる. しかし、注意を払う必要がある2つの問題があります. 一つは安全上の理由から, 回路はしばしば浮くことができない. この場合は, インダクタを介してデバイスを接地することを考える. このように, 50 Hz交流電流装置の接地インピーダンスは非常に小さい, そして、より高い周波数の妨害信号のために, 装置の接地インピーダンスは比較的大きい, これはグランドループ電流を減少させる. しかし、そうすることは、高周波干渉のグランドループ干渉を減らすことができるだけである. もう一つの問題は、デバイスが浮いているけれども, デバイスとグラウンドとの間には依然として寄生容量がある. このキャパシタンスは、より高い周波数でより低いインピーダンスを提供するので、高周波接地ループ電流を効果的に減少させない.
2) Use the transformer to realize the connection between the devices. つのデバイスを接続する磁気回路を使用します, 接地ループ電流を遮断できる. しかし, 変圧器の一次側と二次側との間の寄生容量は、依然として高周波グランドループ電流の経路を提供できる, したがって、変圧器分離方法は、高周波グランドループ電流に対する抑制効果が低い. 変圧器の高周波分離効果を改善する一つの方法は、変圧器の一次側と二次側との間の遮蔽層を設定することである. しかし, 隔離変圧器の遮蔽層の接地端は、回路の受信端部になければならない. Otherwise, 高周波分離効果を改善することはできない, しかし、高周波結合をより深刻にする. したがって, トランスは信号受信装置の側に設置されるべきである. よく保護された変圧器は、1 MHz.
3) Using an optical isolator Another way to cut off the ground loop is to use light to transmit signals. これはグラウンドループ干渉問題に対する理想解であると言える. 光接続のための2つの方法がある, 一つは光カプラ装置である, 他は光ファイバ接続. 光カプラの寄生容量は一般に2 pFである, これは非常に高い周波数で良好な分離を提供できる. 光ファイバはほとんど寄生容量を有しない, しかし、それらは設置に関してオプトカプラに劣る, メンテナンス, コスト.
4) Using a common mode choke coil The use of a common mode choke coil on the connecting cable is equivalent to increasing the impedance of the ground loop, 接地電圧が一定の接地電圧の下で減少するようにする. しかし、コモンモードチョークの寄生容量を制御するために注意を払う, さもなければ、高周波干渉の隔離効果は非常に貧しい. コモンモードチョークのより多くのターン, 寄生容量が大きくなり、高周波アイソレーションが悪化する.
4.2 Eliminate common impedance coupling
There are two ways to eliminate the common impedance coupling. 一つは、共通接地線12のインピーダンスを低減することである, したがって、共通接地線上の電圧も低減される, それにより、共通インピーダンス結合を制御する. 別の方法は、適切な接地方法で互いに干渉しやすい回路の共通接地線を回避することである. 一般に, 強電流回路と弱電流回路の共有接地線を避ける必要がある, そして、接地回路を共有するデジタル回路およびアナログ回路. 前述の通り, 接地線のインピーダンスを低減する問題は、接地線のインダクタンスを低減することである. これは接地用のフラット導体と接地用に間隔をあけた複数の平行導体の使用を含む. プリント回路基板用, 二層基板上に接地線グリッドを敷設することにより、接地線インピーダンスを効果的に低減することができる. つのレイヤーが多層ボードの接地線として使われるにもかかわらず, インピーダンスが小さい, しかし、それは回路基板のコストを増加させる. . 適切な接地による共通インピーダンスを回避する接地方法は、並列に単一の点を接地することである. 並列接地の欠点は、接地線が多すぎていることである. したがって, 実際に, 全ての回路が並列に1点で接地される必要はない. 相互干渉の少ない回路について, 直列の単一点接地. 例えば, 回路は強い信号によって分類できる, 弱信号, アナログ信号, デジタル信号, etc., そうすると、同様の回路の範囲内でシリーズ, 異なるタイプの回路に対する並列単一点接地.
5. Summary
The main reason for the electromagnetic interference caused by the ground wire is the impedance of the ground wire. 電流が接地線12を流れるとき, 電圧は、接地線18に発生する, 接地線ノイズ. この電圧で駆動, 接地ループ電流が発生する, 接地ループ干渉の結果. つの回路が地面のセグメントを共有するとき、一般のインピーダンス結合は起こります. 接地ループ干渉を解決する方法はグランドループを遮断することである, 接地ループのインピーダンスを増加する, バランス回路を使う. 共通インピーダンス結合の解決策は、共通接地線のインピーダンスを低減することである, または、共通のインピーダンスを完全に除去するために、並列に1ポイントのグラウンド接続を使用する PCBボード.