第 三 章 接地干擾及抑制措施

第三章

接地干擾及抑制措施董積平dong.j.p@163.com010-6874402013366077317接地的目的（1）接地使整個電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地干作。（2）防止外界電磁場的干擾。機殼接地可以使得由于靜電感應而積累在機殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。（3）保證安全工作。當發(fā)生直接雷電的電磁感應時，可避免電子設備的毀壞；當工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其它原因直接與機殼相通時，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。此外，很多醫(yī)療設備都與病人的人體直接相連，當機殼帶有110V或220V電壓時，將發(fā)生致命危險。

因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地可以理解為一個等電位點或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準電位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和工作人員的人身安全，電子設備的機殼和機房的金屬構件等，必須與大地相連接，而且接地電阻一般要很小，不能超過規(guī)定值。安全地設備接地的一個主要目的是為了安全，當設備不接地時，一旦電力線與機殼之間絕緣層發(fā)生破損，就會造成觸電。因此所有交流供電的設備都需要接地。Z1是電源線與機箱之間的阻抗，Z2是機箱與地之間的阻抗。Z1和Z2構成了一個分壓器，機箱的電壓由Z1和Z2比值決定。如果機箱沒有接地，機箱上的電壓可能很高，甚至會發(fā)生電擊傷害。當機箱接地時，Z2為0，機箱的電壓為0，十分安全。當電源線與機箱之間的絕緣遭到破壞時，如果機箱沒有接地，則機箱的電壓就是電源電壓，會造成觸電。當機箱接地時，會有很大的電流流到地線上，從而燒斷保險。

信號電流流回信號源

的低阻抗路徑。在進行電路設計時，

通常將地線定義為電路或系統(tǒng)的等

電位參考點。這個定義是不符合實

際情況的，因為實際的地線上電位

是不相同的。這個定義也沒有突出

信號電流流回源的路徑。在考慮電

磁兼容問題時，要知道電流的實際

流過路徑，這樣才能夠分析電路的輻射和敏感情況。為了這個目的，將地線這定義為信號流回源的低阻抗路徑。這個定義突出了電流的流動。當電流流過有限阻抗時，必然會導致電壓降，因此這個定義反映了實際地線上的電位情況。

傳統(tǒng)的等電位概念定義了理想地線應該具有的狀態(tài)，而這里的定義反映了實際地線的電位情況。知道電流的實際路徑對于分析電感耦合是十分重要的，因為電感耦合與信號環(huán)路的面積有關。需要注意的是，實際的電流路徑有時并不是設計者所設計的路徑。

信號地特別警告：交流電源的地線不能用作信號地線！因為一段電源地線的兩點間會有數(shù)百微伏、甚至幾伏的電壓，這對低低頻的信號電路來說是一個嚴重的干擾。導線的阻抗

地線的干擾來自于地線的阻抗，電流流過地線阻抗而產(chǎn)生了地線電壓。地線的阻抗由兩部分構成，電阻部分和感抗部分。從表中可以看出，當頻率升高時，導體的阻抗增加很大，這是因為頻率高時，感抗增加的緣故（電阻也增加）。在電磁兼容領域，最容易犯的錯誤是忽視導線電感引起的阻抗。特別是當導線用作接地時.當頻率較高時，電感的感抗遠大于電阻。經(jīng)驗數(shù)值：一般可用1μH/m的數(shù)值估算導線電感。Z=RAC+jLL1H/m=1/(frr)1/2r電流深度0.37II趨膚效應

頻率HZD=0.65cm10cm1m

D=0.27cm10cm1mD=0.065cm10cm1mD=0.04cm10cm1m10HZ51.4μ517μ327μ3.28m5.29m52.9m13.3m133m1K429μ7.14m632μ8.91m5.34m53.9m14m144m100K42.6m712m54m828m71.6m1.090.3m239m1M426m7.12540m8.28714m10783m1.075M2.1335.52.741.33.57503.8610.610M4.2671.25.482.87.141007.75350M21.33562741435.750038.5106100M42.6

54

71.4

77530150M63.9

81

107

115

導線阻抗表：（單位:Ω）

地環(huán)路干擾

地環(huán)路：當?shù)鼐€上有一個較大的電流通過時，由于地線的阻抗不為零，會產(chǎn)生電壓降，這個電壓會使兩個電路上產(chǎn)生電流。由于電路的不平衡性，每根導線上的電流不同，會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成干擾。這種干擾由于是在地線環(huán)路中產(chǎn)生電流引起的，因此稱為地環(huán)路干擾。地環(huán)路中的電流可能是由外界的電磁場感應出來，也可能是由于地線中流過強電流引起（來自電源或信號源）。地環(huán)路干擾形成的原因1：兩個設備的地電位不同，形成地電壓，在這個的驅(qū)動下，設備1-互連電纜-設備2-地，形成的環(huán)路之間有電流流動。由于電路的不平衡性，每根導線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成干擾。地線上的電壓是由于其他功率較大的設備也用這段地線，而在地線中引起的較強電流，其又與地線有較大的阻抗有關。地環(huán)路干擾形成的原因2：由于互連設備處在較強的電磁場中，電磁場在設備1-互連電纜-設備2-地形成的環(huán)路中感應出環(huán)路電流，與原因1的過程一樣導致干擾。

接地電流與電壓的形成導電耦合回路元件與地存在分布電容電容耦合；諧振時，接地電流增大入射場設備1設備2U（共模干擾）低頻電場對電路的共模干擾（回路的天線效應）共模電流指兩導線上的振幅相差很小而相位相同入射場設備1設備2低頻電場對電路的異模耦合異模電流指兩導線上的振幅相等而相位相反，此時不會產(chǎn)生地電流。當電路中的線圈靠近設備殼體時，殼體相當于只有一匝的二次線圈，它和一次線圈之間形成變壓器耦合，機殼內(nèi)因電磁感應將產(chǎn)生接地電流，而且不管線圈的位置如何，只要有變化的磁通通過殼體，就會產(chǎn)生感應地電流。解決地環(huán)路干擾的方法：解決地環(huán)路干擾的基本思路有兩個：一個是減小地線的阻抗，選擇恰當?shù)慕拥攸c，盡量減少地回路，從而減小干擾電壓。另一個是增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當阻抗無限大時，實際是將地環(huán)路切斷，即消除了地環(huán)路。例如將一端的設備浮地、或?qū)⒕€路板與機箱斷開等是直接的方法。但出于靜電防護或安全的考慮，這種直接的方法在實踐中往往是不允許的，更實用的方法是下面介紹的隔離變壓器、光耦合、共模扼流圈、平衡電路等方法。

隔離變壓器

設備1設備2為了減小變壓器之間的分布電容，可以在變壓器之間加一電屏蔽。設備1設備2如前所述，解決地環(huán)路干擾的最基本方法是切斷地環(huán)路。用隔離變壓器就起到了這個作用，兩個設備之間的信號傳輸通過磁場耦合進行，而避免了電氣直接連接。這時地線上的干擾電壓出現(xiàn)在變壓器的初次級之間，而不是在電路2的輸入端。變壓器隔離的方法有一些缺點，如不能傳輸直流，體積大，成本高。由于變壓器的初次級之間有寄生電容，因此高頻時的隔離效果不是很好。另外不能用在直流或很低的頻率上。光隔離器

發(fā)光二極管發(fā)出強弱變化的光使光電晶體管（或光敏電阻）產(chǎn)生相應變化的電流。光耦合對數(shù)字電路特別適用。在模擬電路中，由于電流與光強的線性關系較差，會產(chǎn)生較大的非線性失真。故光耦合的使用受到限制。用光傳輸信號是解決地環(huán)路問題的理想方法。光耦合器件的寄生電容為2pf左右，因此能夠在很高的頻率起到隔離作用。如果使用光纖，則沒有寄生電容的問題，能夠獲得十分完善的隔離效果。但是，用光纖會帶來其他問題：光纖連接需要更大的功率需要更多的器件光連接的線形和動態(tài)范圍都達不到模擬信號的要求光纜的安裝和維護比較復雜光纜連接技術一般用在數(shù)字電路中，由于其帶寬很寬，因此可以用在高速數(shù)據(jù)網(wǎng)中。

共模扼流圈

地線電壓實際是一種共模電壓，在這個電壓的驅(qū)動下，電纜中流過的電流是共模電流。因此可以采用在電纜上安裝共模扼流圈的方法抑制地環(huán)路電流。直流和低頻可以通過。

扼流圈由兩個繞向相同、匝數(shù)相同所構成。一般用雙線并繞而成。信號電流在兩個繞組流過的方向相反，產(chǎn)生的磁場相互抵消，呈現(xiàn)低阻抗。干擾電流在兩個繞組流過的方向相同，產(chǎn)生的磁場方向相同，對干擾呈現(xiàn)高阻抗。平衡電路

平衡電路定義：兩個導體及其所連接的電路相對于地線或其他參考物體具有相同的阻抗。典型的平衡電路是差分放大器。但差分放大器的源端通常不是平衡的。上圖所示的電路中如果：RS1=RS2,RL1=RL2,VS1=VS2,則是完全平衡的電路。地環(huán)路電流在平衡電路中產(chǎn)生的噪聲電壓：設由于地電壓VG的影響，在兩根導體中產(chǎn)生了地環(huán)路電流IN1和IN2，由于電路是平衡的，因此，IN1=IN2，負載上的電壓為：VL=IN1RL1-IN2RL2+IS(RL1+RL2)=IS(RL1+RL2)因此，地環(huán)路噪聲電流在負載上沒有造成影響，僅有信號電流流過負載。高頻時平衡是很困難的：圖中的電路僅是一種理想的狀態(tài)，實際的電路會有很多寄生因素，如寄生電容、電感等。這些參數(shù)在頻率較高時對電路阻抗發(fā)揮著較大作用。由于這些寄生參數(shù)的不確定性，電路的阻抗也是不確定的，因此很難保證兩個導體的阻抗完全相同。因此，在高頻時，電路平衡性往往較差，這意味著：平衡電路對頻率較高的地環(huán)路電流干擾抑制效果較差。

公共阻抗耦合：當兩個電

路的地電流流過一個公共阻抗

時，就發(fā)生了公共阻抗耦合。

我們在放大器中，級與級之間

的一種耦合方式是“阻容”耦合

方式，這就是一種利用公共阻

抗進行信號耦合的應用。在這

里，上一級的輸出與下一級的

輸入共用一個阻抗。由于地線

就是信號的回流線，因此當兩個電路共用一段地線時，彼此此也會相互影響。一個電路的地電位會受到另一個電路工作狀態(tài)的影響，即一個電路的地電位受另一個電路的地電流的調(diào)制，另一個電路的信號就耦合了進了前一個電路。對于兩個共用電源的電路也存在這個問題。解決的辦法是對每個電路分別供電，或加解耦電路。

~~~改進1改進2信號地線的接地方式1.單點接地123串聯(lián)單點接地優(yōu)點：簡單缺點：公共阻抗耦合，低電平電路放在離接地點近的地方；各電路電平相差大的時候不能用。I1I2I3ABCR1R2R3123并聯(lián)單點接地優(yōu)點：無公共阻抗耦合缺點：接地線多、長。只適用于低頻。特別要避免λ/4線開路。I1I2I3ABC串聯(lián)單點接地結構由于簡單而受到設計人員的青睞，但它所帶來的公共阻抗耦合干擾問題又經(jīng)常讓人頭疼。并聯(lián)單點接地結構能夠徹底消除電路之間的影響，但接地線很復雜。一個折衷的方法：將電路按照特性分組，相互之間不易發(fā)生干擾的電路放在同一組，相互之間容易發(fā)生干擾的電路放在不同的組。每個組內(nèi)采用串聯(lián)單點接地，獲得最簡單的地線結構，不同組的接地采用并聯(lián)單點接地，避免相互之間干擾。這個方法的關鍵：絕不要使功率相差很大的電路或電平相差很大的電路共用一段地線。

多點接地：為了減小地線電感，在高頻電路和數(shù)字電路中經(jīng)常使用多點接地。在多點接地系統(tǒng)中，每個電路就近接到低阻抗的地線面上，如機箱。電路的接地線要盡量短，以減小電感。在頻率很高的系統(tǒng)中，通常接地線要控制在幾毫米的范圍內(nèi)。高頻時，由于趨膚效應，電流僅在導體表面流動，因此，增加導體的厚度并不能減小導體的電阻。在導體表面鍍銀能夠降低導體的電阻。

通常1MHz以下時，可以用單點接地；10MHz以上時，可以用多點接地，在1MHz和10MHz之間時，如果最長的接地線不超過波長的1/20，可以用單點接地，否則用多點接地。

混合接地混合接地系統(tǒng)在不同的頻率呈現(xiàn)不同的接地結構。如圖：上圖低頻時單點接地，高頻時多點接地系統(tǒng)。這種接地系統(tǒng)用在要抗高頻干擾的傳輸?shù)皖l信號的屏蔽電纜上，由于傳輸?shù)皖l信號，需要單點接地，而在高頻時，電纜是多點接地。下圖所示的接地系統(tǒng)是低頻時多點接地，而高頻時單點接地。這種接地系統(tǒng)主要用在出于安全考慮，多個機箱需要接到安全地上，而希望電路單點接地的場合?；旌辖拥貙嵗龣C柜的接地

大系統(tǒng)通常安裝在機柜內(nèi)，機柜構成系統(tǒng)地線的一部分。但要注意的是：機柜上通常噪聲很嚴重，并且由于機柜上的搭接點、縫隙等存在，通常具有相當高的阻抗。圖中所示的是一種典型的結構：面板與電路板連在一起，然后安裝在機柜上。左邊的機柜給出了正確的連接，面板與機柜之間有良好的搭接，機柜接在一次電源地上，電路地不直接連在面板或機柜上。這樣，機柜上的噪聲不會通過電路地。但高頻時，仍會有一些機柜上的噪聲通過機柜和電路之間的電容進入電路。因此要使電路與機柜之間的電容盡量小。右邊的機柜是不正確的安裝方法。這種安裝方式中，電路地直接連接到機柜地。機柜上的噪聲電流會流進電路。另注意：絕對不要依靠滑動抽屜、鉸鏈等方式接地。這些接地方式很不可靠，用這些接地方式接地時，會造成系統(tǒng)的性能不穩(wěn)定（取決于地線連接的狀況）。當有這些不可靠的接地結構時，要么改成更可靠的接地方式，要么不要地線。

放大器屏蔽殼的接地

為了防止外界電場的影響，高增益放大器通常放在屏蔽殼內(nèi)。這時放大器與屏蔽殼之間的寄生電容C1S和C3S構成了一個從輸出到輸入的反饋通路。這個反饋會引起放大器的振蕩。解決方法：為了解決這個問題，必須將放大器的公共端與屏蔽殼連接起來。通過將屏蔽殼與放大器公共端連接，寄生電容C2S被短路，反饋被消除。

屏蔽電纜的接地

屏蔽電纜的應用是十分廣泛的。但是真正取得滿意效果的卻很少。特別是關于電纜屏蔽層的接地問題，似乎是一個十分混亂的問題。

靜電場的場合：當沒有屏蔽電纜時，外界電場在信號導體直接感應出噪聲電壓，使電路受到影響。為此，須對電纜屏蔽。但是，如果電纜屏蔽層沒有接地，外界電場在屏蔽層上感應出電壓，這個電壓再次感應在信號導體上，同樣產(chǎn)生干擾。如果將屏蔽層接地，則屏蔽層上的電壓為“0”，不會對信號導體產(chǎn)生干擾。磁場的場合：當沒有屏蔽電纜時，外界磁場在信號與地線構成的回路中產(chǎn)生感應電流，形成干擾。增加屏蔽層后，如果屏蔽層不接地或者單端接地，磁場干擾的情況沒有改變，也就是說屏蔽層沒有效果。當將屏蔽層兩端接地時，外界磁場在原來信號與地線構成的回路中產(chǎn)生感應電流的同時，也在屏蔽層與地線構成的回路中產(chǎn)生感應電流IS，IS也會在導體中感應出電流，但是這個電流與磁場在信號導體中感應的噪聲電流方向是相反的。結果：抵消了磁場在信號導體上產(chǎn)生的噪聲電流，起到屏蔽作用。高頻電磁場的場合：對于高頻電磁場，屏蔽電纜與屏蔽機箱要360°搭接。電纜屏蔽層與屏蔽機箱構成一個完全屏蔽體，將電路整個屏蔽起來。與接地于否無關。實際屏蔽電纜的接地分析

在實際工作中，我們往往是對現(xiàn)場是以靜電場為主還是以磁場、高頻電磁場為主的場合不是很清楚。通常各種成分都有。又由于條件所限，經(jīng)常見到的情況是沒有使用能將屏蔽層360°搭接的屏蔽連接器，只能將屏蔽層扭成小辮接到聯(lián)接器或機箱上，還有屏蔽層質(zhì)量原因、接地阻抗較大等原因。一般來說，出現(xiàn)接地問題最多的是高頻電磁場為主的場合。面對各種非理想狀態(tài)，許多工程技術人員摸索出許多接地方式。但是換一個環(huán)境或換一種設備，原先的接地方式又產(chǎn)生了問題。這就是電纜屏蔽層的接地問題思想混亂的原因。

電纜屏蔽層引入的噪聲電壓

當屏蔽層的兩端地電位不同或外界有磁場時，會在屏蔽層上產(chǎn)生電流IS,為了避免這種噪聲:A.電纜的屏蔽層不要作為信號的回流線（信號地線）；B.電纜的屏蔽層要單點接地（低頻