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(gè)電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個(gè)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(jī)殼接地可以使得由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)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(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。另外，對(duì)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(dāng)發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時(shí)，可避免電子設(shè)備的毀壞；當(dāng)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(jī)殼相通時(shí)，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。此外，很多醫(yī)療設(shè)備都與病人的人體直接相連，當(dāng)機(jī)殼帶有110V或220V電壓時(shí)，將發(fā)生致命危險(xiǎn)。

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(gè)等電位點(diǎn)或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)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(shè)備的機(jī)殼和機(jī)房的金屬構(gòu)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(shè)備接地的一個(gè)主要目的是為了安全，當(dāng)設(shè)備不接地時(shí)，一旦電力線與機(jī)殼之間絕緣層發(fā)生破損，就會(huì)造成觸電。因此所有交流供電的設(shè)備都需要接地。Z1是電源線與機(jī)箱之間的阻抗，Z2是機(jī)箱與地之間的阻抗。Z1和Z2構(gòu)成了一個(gè)分壓器，機(jī)箱的電壓由Z1和Z2比值決定。如果機(jī)箱沒有接地，機(jī)箱上的電壓可能很高，甚至?xí)l(fā)生電擊傷害。當(dāng)機(jī)箱接地時(shí)，Z2為0，機(jī)箱的電壓為0，十分安全。當(dāng)電源線與機(jī)箱之間的絕緣遭到破壞時(shí)，如果機(jī)箱沒有接地，則機(jī)箱的電壓就是電源電壓，會(huì)造成觸電。當(dāng)機(jī)箱接地時(shí)，會(huì)有很大的電流流到地線上，從而燒斷保險(xiǎn)。

信號(hào)電流流回信號(hào)源

的低阻抗路徑。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，

通常將地線定義為電路或系統(tǒng)的等

電位參考點(diǎn)。這個(gè)定義是不符合實(shí)

際情況的，因?yàn)閷?shí)際的地線上電位

是不相同的。這個(gè)定義也沒有突出

信號(hào)電流流回源的路徑。在考慮電

磁兼容問題時(shí)，要知道電流的實(shí)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(gè)目的，將地線這定義為信號(hào)流回源的低阻抗路徑。這個(gè)定義突出了電流的流動(dòng)。當(dāng)電流流過有限阻抗時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致電壓降，因此這個(gè)定義反映了實(shí)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(yīng)該具有的狀態(tài)，而這里的定義反映了實(shí)際地線的電位情況。知道電流的實(shí)際路徑對(duì)于分析電感耦合是十分重要的，因?yàn)殡姼旭詈吓c信號(hào)環(huán)路的面積有關(guān)。需要注意的是，實(shí)際的電流路徑有時(shí)并不是設(shè)計(jì)者所設(shè)計(jì)的路徑。

信號(hào)地特別警告：交流電源的地線不能用作信號(hào)地線！因?yàn)橐欢坞娫吹鼐€的兩點(diǎn)間會(huì)有數(shù)百微伏、甚至幾伏的電壓，這對(duì)低低頻的信號(hào)電路來說是一個(gè)嚴(yán)重的干擾。導(dǎo)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(gòu)成，電阻部分和感抗部分。從表中可以看出，當(dāng)頻率升高時(shí)，導(dǎo)體的阻抗增加很大，這是因?yàn)轭l率高時(shí)，感抗增加的緣故（電阻也增加）。在電磁兼容領(lǐng)域，最容易犯的錯(cuò)誤是忽視導(dǎo)線電感引起的阻抗。特別是當(dāng)導(dǎo)線用作接地時(shí).當(dāng)頻率較高時(shí)，電感的感抗遠(yuǎn)大于電阻。經(jīng)驗(yàn)數(shù)值：一般可用1μH/m的數(shù)值估算導(dǎo)線電感。Z=RAC+jLL1H/m=1/(frr)1/2r電流深度0.37II趨膚效應(yīng)

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(dǎo)線阻抗表：（單位:Ω）

地環(huán)路干擾

地環(huán)路：當(dāng)?shù)鼐€上有一個(gè)較大的電流通過時(shí)，由于地線的阻抗不為零，會(huì)產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓會(huì)使兩個(gè)電路上產(chǎn)生電流。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)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(yīng)出來，也可能是由于地線中流過強(qiáng)電流引起（來自電源或信號(hào)源）。地環(huán)路干擾形成的原因1：兩個(gè)設(shè)備的地電位不同，形成地電壓，在這個(gè)的驅(qū)動(dòng)下，設(shè)備1-互連電纜-設(shè)備2-地，形成的環(huán)路之間有電流流動(dòng)。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成干擾。地線上的電壓是由于其他功率較大的設(shè)備也用這段地線，而在地線中引起的較強(qiáng)電流，其又與地線有較大的阻抗有關(guān)。地環(huán)路干擾形成的原因2：由于互連設(shè)備處在較強(qiáng)的電磁場中，電磁場在設(shè)備1-互連電纜-設(shè)備2-地形成的環(huán)路中感應(yīng)出環(huán)路電流，與原因1的過程一樣導(dǎo)致干擾。

接地電流與電壓的形成導(dǎo)電耦合回路元件與地存在分布電容電容耦合；諧振時(shí)，接地電流增大入射場設(shè)備1設(shè)備2U（共模干擾）低頻電場對(duì)電路的共模干擾（回路的天線效應(yīng)）共模電流指兩導(dǎo)線上的振幅相差很小而相位相同入射場設(shè)備1設(shè)備2低頻電場對(duì)電路的異模耦合異模電流指兩導(dǎo)線上的振幅相等而相位相反，此時(shí)不會(huì)產(chǎn)生地電流。當(dāng)電路中的線圈靠近設(shè)備殼體時(shí)，殼體相當(dāng)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(jī)殼內(nèi)因電磁感應(yīng)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(huì)產(chǎn)生感應(yīng)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(gè)：一個(gè)是減小地線的阻抗，選擇恰當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)，盡量減少地回路，從而減小干擾電壓。另一個(gè)是增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無限大時(shí)，實(shí)際是將地環(huán)路切斷，即消除了地環(huán)路。例如將一端的設(shè)備浮地、或?qū)⒕€路板與機(jī)箱斷開等是直接的方法。但出于靜電防護(hù)或安全的考慮，這種直接的方法在實(shí)踐中往往是不允許的，更實(shí)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(shè)備1設(shè)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(shè)備1設(shè)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(gè)作用，兩個(gè)設(shè)備之間的信號(hào)傳輸通過磁場耦合進(jìn)行，而避免了電氣直接連接。這時(shí)地線上的干擾電壓出現(xiàn)在變壓器的初次級(jí)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(diǎn)，如不能傳輸直流，體積大，成本高。由于變壓器的初次級(jí)之間有寄生電容，因此高頻時(shí)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(qiáng)弱變化的光使光電晶體管（或光敏電阻）產(chǎn)生相應(yīng)變化的電流。光耦合對(duì)數(shù)字電路特別適用。在模擬電路中，由于電流與光強(qiáng)的線性關(guān)系較差，會(huì)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(hào)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(huì)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(dòng)態(tài)范圍都達(dá)不到模擬信號(hào)的要求光纜的安裝和維護(hù)比較復(fù)雜光纜連接技術(shù)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(shí)際是一種共模電壓，在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)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(gè)繞向相同、匝數(shù)相同所構(gòu)成。一般用雙線并繞而成。信號(hào)電流在兩個(gè)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(gè)繞組流過的方向相同，產(chǎn)生的磁場方向相同，對(duì)干擾呈現(xiàn)高阻抗。平衡電路

平衡電路定義：兩個(gè)導(dǎo)體及其所連接的電路相對(duì)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(shè)由于地電壓VG的影響，在兩根導(dǎo)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(fù)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(fù)載上沒有造成影響，僅有信號(hào)電流流過負(fù)載。高頻時(shí)平衡是很困難的：圖中的電路僅是一種理想的狀態(tài)，實(shí)際的電路會(huì)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(shí)對(duì)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(gè)導(dǎo)體的阻抗完全相同。因此，在高頻時(shí)，電路平衡性往往較差，這意味著：平衡電路對(duì)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(dāng)兩個(gè)電

路的地電流流過一個(gè)公共阻抗

時(shí)，就發(fā)生了公共阻抗耦合。

我們?cè)诜糯笃髦?，?jí)與級(jí)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(jìn)行信號(hào)耦合的應(yīng)用。在這

里，上一級(jí)的輸出與下一級(jí)的

輸入共用一個(gè)阻抗。由于地線

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

~~~改進(jìn)1改進(jìn)2信號(hào)地線的接地方式1.單點(diǎn)接地123串聯(lián)單點(diǎn)接地優(yōu)點(diǎn)：簡單缺點(diǎn)：公共阻抗耦合，低電平電路放在離接地點(diǎn)近的地方；各電路電平相差大的時(shí)候不能用。I1I2I3ABCR1R2R3123并聯(lián)單點(diǎn)接地優(yōu)點(diǎn)：無公共阻抗耦合缺點(diǎn)：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(diǎn)接地結(jié)構(gòu)由于簡單而受到設(shè)計(jì)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(diǎn)接地結(jié)構(gòu)能夠徹底消除電路之間的影響，但接地線很復(fù)雜。一個(gè)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(gè)組內(nèi)采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，獲得最簡單的地線結(jié)構(gòu)，不同組的接地采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，避免相互之間干擾。這個(gè)方法的關(guān)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(diǎn)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(diǎn)接地。在多點(diǎn)接地系統(tǒng)中，每個(gè)電路就近接到低阻抗的地線面上，如機(jī)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(shí)，由于趨膚效應(yīng)，電流僅在導(dǎo)體表面流動(dòng)，因此，增加導(dǎo)體的厚度并不能減小導(dǎo)體的電阻。在導(dǎo)體表面鍍銀能夠降低導(dǎo)體的電阻。

通常1MHz以下時(shí)，可以用單點(diǎn)接地；10MHz以上時(shí)，可以用多點(diǎn)接地，在1MHz和10MHz之間時(shí)，如果最長的接地線不超過波長的1/20，可以用單點(diǎn)接地，否則用多點(diǎn)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(jié)構(gòu)。如圖：上圖低頻時(shí)單點(diǎn)接地，高頻時(shí)多點(diǎn)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(hào)的屏蔽電纜上，由于傳輸?shù)皖l信號(hào)，需要單點(diǎn)接地，而在高頻時(shí)，電纜是多點(diǎn)接地。下圖所示的接地系統(tǒng)是低頻時(shí)多點(diǎn)接地，而高頻時(shí)單點(diǎn)接地。這種接地系統(tǒng)主要用在出于安全考慮，多個(gè)機(jī)箱需要接到安全地上，而希望電路單點(diǎn)接地的場合?；旌辖拥貙?shí)例機(jī)柜的接地

大系統(tǒng)通常安裝在機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜構(gòu)成系統(tǒng)地線的一部分。但要注意的是：機(jī)柜上通常噪聲很嚴(yán)重，并且由于機(jī)柜上的搭接點(diǎn)、縫隙等存在，通常具有相當(dāng)高的阻抗。圖中所示的是一種典型的結(jié)構(gòu)：面板與電路板連在一起，然后安裝在機(jī)柜上。左邊的機(jī)柜給出了正確的連接，面板與機(jī)柜之間有良好的搭接，機(jī)柜接在一次電源地上，電路地不直接連在面板或機(jī)柜上。這樣，機(jī)柜上的噪聲不會(huì)通過電路地。但高頻時(shí)，仍會(huì)有一些機(jī)柜上的噪聲通過機(jī)柜和電路之間的電容進(jìn)入電路。因此要使電路與機(jī)柜之間的電容盡量小。右邊的機(jī)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(jī)柜地。機(jī)柜上的噪聲電流會(huì)流進(jìn)電路。另注意：絕對(duì)不要依靠滑動(dòng)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(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)的性能不穩(wěn)定（取決于地線連接的狀況）。當(dāng)有這些不可靠的接地結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)放大器與屏蔽殼之間的寄生電容C1S和C3S構(gòu)成了一個(gè)從輸出到輸入的反饋通路。這個(gè)反饋會(huì)引起放大器的振蕩。解決方法：為了解決這個(gè)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(yīng)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(guān)于電纜屏蔽層的接地問題，似乎是一個(gè)十分混亂的問題。

靜電場的場合：當(dāng)沒有屏蔽電纜時(shí)，外界電場在信號(hào)導(dǎo)體直接感應(yīng)出噪聲電壓，使電路受到影響。為此，須對(duì)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(yīng)出電壓，這個(gè)電壓再次感應(yīng)在信號(hào)導(dǎo)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(huì)對(duì)信號(hào)導(dǎo)體產(chǎn)生干擾。磁場的場合：當(dāng)沒有屏蔽電纜時(shí)，外界磁場在信號(hào)與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)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(dāng)將屏蔽層兩端接地時(shí)，外界磁場在原來信號(hào)與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的同時(shí)，也在屏蔽層與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流IS，IS也會(huì)在導(dǎo)體中感應(yīng)出電流，但是這個(gè)電流與磁場在信號(hào)導(dǎo)體中感應(yīng)的噪聲電流方向是相反的。結(jié)果：抵消了磁場在信號(hào)導(dǎo)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(duì)于高頻電磁場，屏蔽電纜與屏蔽機(jī)箱要360°搭接。電纜屏蔽層與屏蔽機(jī)箱構(gòu)成一個(gè)完全屏蔽體，將電路整個(gè)屏蔽起來。與接地于否無關(guān)。實(shí)際屏蔽電纜的接地分析

在實(shí)際工作中，我們往往是對(duì)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(jī)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(duì)各種非理想狀態(tài)，許多工程技術(shù)人員摸索出許多接地方式。但是換一個(gè)環(huán)境或換一種設(shè)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(dāng)屏蔽層的兩端地電位不同或外界有磁場時(shí)，會(huì)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(hào)的回流線（信號(hào)地線）；B.電纜的屏蔽層要單點(diǎn)接地（低頻