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什么是“共阻干扰” ？为什么要单点接地？资料下载

消耗积分:3 | 格式:pdf | 大小:535.8KB | 2021-04-01

贾熹

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1、本文出发点 本文基于上次本公众号发布的“☞噪声的起源” 一文所提到的噪声产生的原理， 进一步论述简单而实用的应用：数模混合音频系统中最简单的规避地噪声手段—— “单点接地”。让读者明白“为什么要单点接地” 。希望读者着重认清单点接地的原理，从而化用、推广到其他地方，而不是简单地记住本文中所提到的例子。 本文内容较多是作者本人的感悟、实践的结论， 可能有不当之处， 故请广大读者仅作讨论使用。  2、本文适用的读者 “单点接地”是否有似曾相识的感觉？ 假如你现在的情况是“听说过单点接地， 但是不知道具体应该如何单点接地；或者大致知道如何单点接地，但是不能清楚地理解单点接地的原理” 。那么很幸运，本文为你而写！ 3、共阻干扰存在的几种形式 本文重点是：讲述了共阻干扰的几种常见形式，会产生几种经典后果：干扰会被放大后输出、干扰被衰减后输出、干扰被原原本本地输出等。 （地线）共阻干扰存在的根本原因是： （地）导线存在阻抗，且干扰与被干扰信号有共同的信号回路。（什么是“信号回路”，在“噪声的起源” 已经解释。） 3.1、共阻干扰的几种形式 3.1.1、完全没有共阻噪声 理想状态，导线无阻抗、分布参数，不存在噪声。Av-niose = 0 ： 如图3.1-1，理想状态下， Vout = 100*Vin，输出没有噪声。 3.1.2、共阻噪声最糟糕的状态 最坏的布线情况，噪声会被“加倍放大” 。Av-niose >> 1 ： 3.1-2 如图3.1-2，由于AB点在PCB板上是一段铜箔， 不可避免存在阻抗（虽然铜的电阻率极小），假设其阻抗为R5。模拟输入信号的回路经过A——B段，当有数字电流I1_niose 地回路流经A——B点时， R5既是模拟信号的回流地电阻，也是数字电路信号的回流地电阻，这个导线电阻由模拟、数字“共享” ，故称为共阻。而数字信号经过R5会产生V1_niose，这个V1_niose电压将会叠加在干净的模拟输入信号上，造成输入信号的污染（干扰） ，故把这种—— 因为有共同回流路径而产生的干扰现象叫“共阻干扰” 。 由于该电路放大的是BF端的电压。（而不仅仅是AF端，如果不明白这一点，必须重新学习功放！）所以Vout=（Vin V1_niose）*100，其中输出噪声部分的信号是V1_niose*100！——可见，噪声被加倍放大了！！！这是共阻噪声最为严重的一种状况！ 经验性现象解释：有人说：铜的电阻率这么低，即使V1_niose 放大一百倍也听不到，因为用示波器根本没有看到噪声的存在！而且数字噪声一般不在20—— 20KHz人耳可听见范围！ 这个说法好像有道理，但是实际和理论都是不对的。原因如下： （1）人耳朵在安静环境中， 通过耳机，人们能清楚地听到毫伏级（几毫伏）的音频噪声信号，而普通示波器一般无法捕捉到这么微弱的波形。因为普通的数字示波器接上探头后显示在屏幕上的噪声电平有20mV 左右，非常昂贵的示波器在拔掉探头的情况下，显示在屏幕上的底噪才可能小于1mV。所以人耳朵能听到噪声但是示波器看不到，这很正常。（2）即使数字电路本身工作频率远超过20KHz，但MCU内部模块间的启动关闭动作的频率有可能落在音频范围。而且，即使大于20KHz的数字信号，经过导线的分布电感与分布电容“滤波”后，形成V1_niose 将落在音频范围。这是我们能听到数字噪声的原因。 3.1.3、共阻噪声1:1 放大输出 干扰不被放大、直接呈现在输出端。Av-niose = 1： 3.1-3 如图，若数字噪声只流过R8，那么Vout=Vin*100 V2_niose，存在数字噪声，但是噪声没有被放大， 所以一般情况下， 数字噪声不明显， 只是是在安静的环境中可能可以听得到。 3.1.4、共阻干扰被衰减后输出 干扰会被功放器件抑制， Av-niose << 1 ： 如图，假如在数字电路端单点接地。那么，数字噪声V3_niose 可以直接回流到电源，并没有流经功放区域， （其实深究起来，还是有非常微小的部分噪声流经EC段PCB，并从其他路径构成回路，但是这个影响非常小。回路路径如何形成？根据“噪声的起源”章节中的内容，其实足以领悟出来。）所以不会造成地线的共阻干扰噪声。但是，有两点值得担心的： （1）电源不是理想的电源，会存在“内阻” ，所以数字电路会通过“干扰公共的电源从而干扰功放” ——幸运的是， 这个干扰非常小， 一般情况下都不会引起系统出现噪声，原因是：功放的电源纹波抑制比一般非常高！ （2）C与E之间同样是铜箔，实际上也存在内阻！这段地线也会产生共阻干扰。但是，实际上采用这种布线方式也不会出现干扰问题，原因是：一、其阻抗引起的干扰相当于电源抖动的干扰， 而功放有一定的电源纹波抑制能力（这个是地纹波抑制， 实际测试过的一些芯片， 都是电源纹波抑制能力比地纹波抑制能力好，这应该与Bypass电路有关，有兴趣者可以深究） 。二、这个干扰一般是声音较大时干扰才比较大，但是声音大后，噪声会被音乐“盖住” ，所以人感受不到噪声的存在。 3.1.5、在电路板上不会存在地噪声 如图3.1-5，电池、数字地、模拟地的单点接地点都接在C、E点的重合处。这样接地，在电路板上不会出现噪声， Av-niose=0 。（但是，电池接上后，同样会产生“ 3.1.4”的类似情况，因为每个电源都有内阻。这个读者自行构建模型分析！） 无论如何， 对于图中的电路， 这已经是最好的接地方式了！ 而且这种接地方式从未出现过噪声！ 3.2、敏感点与不敏感点 由3.1 的内容知道， PCB走线不当，噪声会被“成倍放大” 、或会被“ 1 倍放大”。产生这种状况说明：对于音频功放放大电路， PCB上存在“地噪声敏感点和不敏感点”（或者说是敏感段） 。 3.2.1、地噪声敏感段PCB 图3.1-2 的AB段的噪声会被成倍放大， 所以AB段是“地噪声敏感段PCB”，经过敏感段PCB的数字地噪声将会被“加倍放大”后输出。 之所以会被加倍放大，是因为噪声信号经过功放的前端放大电路的地回流，这段PCB对应于实际应用中的很多功放的“ Bypass电容接地点（如图3.1-2 中B点）与功率地（如图3.1-2 中C点）之间的PCB”。也就是： BC间的PCB连走线极有可能成为地噪声敏感段PCB。
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