PCB多层线路板接地设计解析

接地设计是系统设计的基础，良好的接地是一个系统安全、稳定工作的前提。在PCB电路板的地线设计中，接地技术既应用于PCB多层线路板，也应用于单层线路板。

接地的目的

一是为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰，常称为工作接地；二是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，这称为保护接地。

PCB地线的分类和目的

在计算机控制系统中，大致分为以下几种地线：模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。

1、模拟地作为传感器、变送器、放大器、A- D和D- A转换器中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，它的信号比较小，而且与生产现场连接。

2、有时为区别远距离传感器的弱信号地与主机的模拟地关系，把传感器的地又叫 信号地。

3、数字地作为计算机各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。

4、系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连作为基准零电位。

5、交流地是计算机交流供电的动力线地或称零线，它的零电位很不稳定。在交流地上任意两点之间往往就有几伏乃至几十伏的电位差存在。另外，交流地也容易带来各种干扰。因此，交流地绝不允许与上述几种地相连，而且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对要避免漏电现象。

6、保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地，目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身及设备安全。

PCB的接地设计

了解了地线的分类和作用后，接下来就需要将PCB中的地线进行区别分类，并采取相应的处理办法来设计地线。如TTL、CMOS器件的地线要呈辐射状，不能形成环形；印制电路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽度，不要小于3mm，在可能的情况下，地线越宽越好；旁路电容的地线不能长，应尽量缩短；大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小信号的地分开。

01、将数字电路与模拟电路分开

电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。

02、尽量加粗接地线

若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印制线路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。

03、将接地线构成闭环路

设计只由数字电路组成的印制线路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于：印制线路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。

04、全地平面

当采用多层线路板设计时，可将其中一层作为“全地平面”，这样可减少接地阻抗，同时又起到屏蔽作用。我们常常在印制板周边布一圈宽的地线，也是起着同样的作用。

05、单层PCB的接地线

在单层（单面）PCB中，接地线的宽度应尽可能的宽，且至少应为1.5mm(60mil)。由于在单层电路板上无法实现星形布线，因此跳线和地线宽度的改变应当保持为最低，否则将引起线路阻抗与电感的变化。

06、双层PCB的接地线

在双层（双面）PCB中，对于数字电路优先使用地线栅格/点阵布线，这种布线方式可以减少接地阻抗、接地回路和信号环路。像在单层线路板中那样，地线和电源线的宽度最少应为1.5mm。

另外的一种布局是将接地层放在一边，信号和电源线放于另一边。在这种布置方式中将进一步减少接地回路和阻抗。此时，去耦电容可以放置在距离IC供电线和接地层之间尽可能近的地方。

07、多层电路板的接地线设计方式

在高密度和高频率的场合通常使用4层线路板，就EMC而言比双面板PCB好20 DB以上。在4层PCB电路板的条件下，往往可以使用一个完整的地平面和完整的电源平面，在这种条件下只需要进行分成几组的电路的地线与地平面连接，并且将工作噪声地特别的处理。

从各个电路的地线连接到地平面可以采取很多做法，包括： 

电路板的接地方式：左边为多点接地，右边为单点接地

单点和多点接地方式

① 单点接地：所有电路的地线接到地线平面的同一点，分为串联单点接地和并联单点接地。

② 多点接地：所有电路的地线就近接地，地线很短适合高频接地。

③ 混合接地：将单点接地和多点接地混合使用。

在低频率、小功率和相同电源层之间，单点接地是最为适宜的，通常应用于模拟电路之中；这里一般采用星型方式进行连接降低了可能存在的串联阻抗的影响，如下图右半部分所示。

高频率的数字电路就需要并联接地了，在这里一般通过地孔的方式可较为简单的处理，如图的左半部分所示；一般所有的模块都会综合使用两种接地方式，采用混合接地的方式完成电路地线与地平面的连接。 

混合接地方式

如果不选择使用整个平面的作为公共的地线，比如模块本身有两个地线的时候，就需要进行对地平面进行分割，这往往与电源平面有相互作用。

注意以下的几点原则：

(1)将各个平面对齐处理，避免无关的电源平面和地平面之间的重叠，否则将导致所有的地平面分割失效，彼此之间产生干扰；

(2)在高频的情况下，层间通过电路板寄生电容会产生耦合；

(3)在地平面之间（如数字地平面和模拟地平面）的信号线使用地桥进行连接，并且通过就近的通孔配置最近的返回路径。

(4)避免在隔离的地平面附近走时钟线等高频走线，引起不必要的辐射。

(5)信号线与其回路构成的环面积尽可能小，也被称为环路最小规则；环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。在地平面分割和信号走线时，要考虑到地平面与重要信号走线的分布，防止由于地平面开槽等带来的问题。

地之间的连接方法，这里进行一些整理。

① 地间电路板普通走线连接：使用这种方法可以保证在中两个地线之间可靠的低阻抗导通，但仅限于中低频信号电路地之间的接法。

② 地间大电阻连接：大电阻的特点是一旦电阻两端出现压差，就会产生很弱的导通电流，把地线上电荷泄放掉之后，最终实现两端的压差为零。

③ 地间电容连接：电容的特性是直流截止和交流导通，应用于浮地系统中。

④ 地间磁珠连接：磁珠等同于一个随频率变化的电阻，它表现的是电阻特性。应用于快速小电流波动的弱信号的地与地之间。

⑤ 地间电感连接：电感具有抑制电路状态变化的特性，可以削峰填谷，通常应用于两个有较大电流波动的地与地之间。

⑥ 地间小电阻连接：小电阻增加了一个阻尼，阻碍地电流快速变化的过冲；在电流变化时候，使冲击电流上升沿变缓。