电磁兼容(第三章)接地

1、 接地是减小噪声与噪声拾取的主要方法之一。接地是减小噪声与噪声拾取的主要方法之一。 正确地使用电缆布线和接地技术，能够解决大部分正确地使用电缆布线和接地技术，能够解决大部分 噪声问题。噪声问题。 前前 言言 良好的接地是设计出来的，应具有这样的特点：良好的接地是设计出来的，应具有这样的特点： 即能防护不期望的干扰和发射，有无需增加任何成即能防护不期望的干扰和发射，有无需增加任何成 本。本。唯一需要的就是工程师的耐心和时间唯一需要的就是工程师的耐心和时间 。 一个没有经过细心设计的接地系统，可能是系一个没有经过细心设计的接地系统，可能是系 统内的主要干扰和发射源，并引起一些难以预料的统内的主要干

2、扰和发射源，并引起一些难以预料的 现象。现象。 第一节第一节 接地和接地的方法接地和接地的方法 接地通常可以分为：接地通常可以分为：安全接地安全接地和和信号接地信号接地。如果接地是。如果接地是 通过一个低阻抗路径与大地想连，可以称为接大地。安全通过一个低阻抗路径与大地想连，可以称为接大地。安全 地通常与大地等电位，而信号地却不一定与大地等电位。地通常与大地等电位，而信号地却不一定与大地等电位。 通常安全接地点并不适合做信号接地点，因为这又可能通常安全接地点并不适合做信号接地点，因为这又可能 使噪声问题变得更加复杂化。使噪声问题变得更加复杂化。 一、接地的分类一、接地的分类 安全接地安全接地 安

3、全接地是出于安全考虑，将电子设备的机架或外壳接地。安全接地是出于安全考虑，将电子设备的机架或外壳接地。 为什么一定要这样呢？为什么一定要这样呢？ 通常出于两种原因，设备需要进行接地通常出于两种原因，设备需要进行接地 1、分布电阻的存在可能导致设备或机架上、分布电阻的存在可能导致设备或机架上 可能会有很高可能会有很高 的电压。的电压。 机壳的电压为：机壳的电压为： 1 21 2 V ZZ Z 机壳V 机壳的电压是由阻抗机壳的电压是由阻抗Z1和和Z2组成的组成的 分压器决定的，有时可能具有很高分压器决定的，有时可能具有很高 的电位，并有电击的危险。的电位，并有电击的危险。 2 、意外情况下设备的绝

4、缘发生击穿，当然这种情况更有、意外情况下设备的绝缘发生击穿，当然这种情况更有 危险性。危险性。 如果线缆的绝缘损坏，使交如果线缆的绝缘损坏，使交 流线直接与机壳接触，机架将会流线直接与机壳接触，机架将会 具有传输与保险丝熔断电流相同具有传输与保险丝熔断电流相同 的能力。任何与机架进行接触的的能力。任何与机架进行接触的 人都相当于直接和交流电源相接，人都相当于直接和交流电源相接， 这是十分危险的。这是十分危险的。 设备安全接地后，以上的问题就可以避免。这是机壳与设备安全接地后，以上的问题就可以避免。这是机壳与 大地及人是同电位的，不会发生电击的危险。大地及人是同电位的，不会发生电击的危险。 每个

5、国家，设备安全接地都有相应的国家标准，安全接每个国家，设备安全接地都有相应的国家标准，安全接 地也不是可以随意进行的。地也不是可以随意进行的。 我国的民用我国的民用220V交流电，采用三线系统。交流电，采用三线系统。 负载电流流过装有保险丝的火线（绿色），然后经过零负载电流流过装有保险丝的火线（绿色），然后经过零 线（蓝色）回流。设备的外壳接安全地线（必须用黄绿双线（蓝色）回流。设备的外壳接安全地线（必须用黄绿双 色）。只有在故障时，并且保险熔断或断路器断开前的瞬色）。只有在故障时，并且保险熔断或断路器断开前的瞬 间，才有电流流入安全地线。间，才有电流流入安全地线。 二、信号接地二、信号接地

6、、信号地的概念、信号地的概念 通常，地的定义是：电路或系统参考点位的一个等位点通常，地的定义是：电路或系统参考点位的一个等位点 或等为平面。或等为平面。 怎么有什么不对吗？怎么有什么不对吗？ 这种定义并不符合实际的接地系统，实际的接地系统并这种定义并不符合实际的接地系统，实际的接地系统并 不是等电位的。而且这种定义也没有强调电流返回源所选不是等电位的。而且这种定义也没有强调电流返回源所选 的实际路径。的实际路径。 对于工程师来说，为了确定电路的辐射和敏感度，了解对于工程师来说，为了确定电路的辐射和敏感度，了解 电流的实际路径是非常重要的。电流的实际路径是非常重要的。 等电位参考端的概念明确了什

7、么是理想的地，而电流的等电位参考端的概念明确了什么是理想的地，而电流的 概念才能定义真实的地。概念才能定义真实的地。 如何定义信号的才更恰当呢？如何定义信号的才更恰当呢？ 信号接地的更好的定义是：信号接地的更好的定义是：电流返回源的低阻抗路径电流返回源的低阻抗路径 我们知道，磁性感应耦合与闭合回路的面积成正比，这我们知道，磁性感应耦合与闭合回路的面积成正比，这 一面积是由实际电流流动时，所围起来的总面积一面积是由实际电流流动时，所围起来的总面积 进行接地设计时，电流是怎样流动的？这是非常关键的进行接地设计时，电流是怎样流动的？这是非常关键的 问题。必须首先确定地电流的路径，然后才能考虑接地电问

8、题。必须首先确定地电流的路径，然后才能考虑接地电 压对其它与之相连的电路产生的影响。压对其它与之相连的电路产生的影响。 合理的信号接地系统是由以下因素决定的：合理的信号接地系统是由以下因素决定的： 电路的类型、工作频率、系统的尺寸（独立或分布）以电路的类型、工作频率、系统的尺寸（独立或分布）以 及其它约束条件，如：系统的安全性。及其它约束条件，如：系统的安全性。 没有任何一个接地系统能适合所有应用！没有任何一个接地系统能适合所有应用！ 二、信号接地类型二、信号接地类型 信号接地通常可以分为三类：信号接地通常可以分为三类：单点接地、多点接地和混合接地单点接地、多点接地和混合接地。 1、单点接地、

9、单点接地 单点接地就是电路通过一点与地相连，通常也可以分为单点接地就是电路通过一点与地相连，通常也可以分为:串联单点串联单点 接地和并联单点接地接地和并联单点接地。其中串联接地也称为菊花接地；并联接地则又被。其中串联接地也称为菊花接地；并联接地则又被 称为分离接地。称为分离接地。 在接地技术研究中，以下两点是非常重要的：在接地技术研究中，以下两点是非常重要的： 所有的导体都具有阻抗，即包括电阻又包括电感。例如：在所有的导体都具有阻抗，即包括电阻又包括电感。例如：在 11KHz时，距离地平面时，距离地平面1in的的22号导线，感抗大于它的电阻。号导线，感抗大于它的电阻。 两个物理上分离的接地点，

10、电位也不相同。两个物理上分离的接地点，电位也不相同。 通常串联单点接地系统是实际中使用最广的单点接地系统，由于它通常串联单点接地系统是实际中使用最广的单点接地系统，由于它 简单易行，但是串联单点接地系统并不是一个良好的接地系统，有时它简单易行，但是串联单点接地系统并不是一个良好的接地系统，有时它 引入严重的接地噪声。引入严重的接地噪声。 接地噪声？接地噪声？ 它是怎么产生的？它是怎么产生的？ 接地导线是就有电阻的，由于接接地导线是就有电阻的，由于接 地电阻的存在，串联单点接地系统设地电阻的存在，串联单点接地系统设 备的接地点的电位，并不相同。备的接地点的电位，并不相同。 1321ARIIIV)

11、( 2321321BRIIRIIIV)()( 332321321CRIRIIRIIIV)()( 由此可见，串联单点接地系统内由此可见，串联单点接地系统内 设备的接地点电位，不仅与自身的电设备的接地点电位，不仅与自身的电 流有关，而且受到其它设备对地电流流有关，而且受到其它设备对地电流 的影响，距离接地点越远，影响的影响，距离接地点越远，影响 越越 严重。所以这种接地系统，只适用于严重。所以这种接地系统，只适用于 要求不高的场合。要求不高的场合。 串联单点接地系统串联单点接地系统 并联单点接地系统并联单点接地系统 并联单点接地系统是低频应用时，最并联单点接地系统是低频应用时，最 希望采用的系统。

12、并联接地系统内不同希望采用的系统。并联接地系统内不同 设备的地电流之间没有交叉耦合，每个设备的地电流之间没有交叉耦合，每个 设备的地电位只和自身的接地电流及接设备的地电位只和自身的接地电流及接 地电阻有关。地电阻有关。 11ARIV 22BRIV 33CRIV 并联单点接地系统的缺点就是：体积并联单点接地系统的缺点就是：体积 大，显得非常笨重。大，显得非常笨重。 高频时，单点接地系统有它固有的局限性。高频时，单点接地系统有它固有的局限性。随着频率的增加接地导体的随着频率的增加接地导体的 电感会使接地电抗显著增大。在更高的频率上，如果接地导线的长度等于电感会使接地电抗显著增大。在更高的频率上，如

13、果接地导线的长度等于 1/4波长的奇数倍，地线的阻抗就会非常高。这时接地导线不仅仅有很大的波长的奇数倍，地线的阻抗就会非常高。这时接地导线不仅仅有很大的 阻抗，而且还能像天线一样辐射噪声。因此，接地导线应当始终保证短于阻抗，而且还能像天线一样辐射噪声。因此，接地导线应当始终保证短于 1/20波长，以保证较低的接地阻抗和防止辐射的产生。一般在高频时不使用波长，以保证较低的接地阻抗和防止辐射的产生。一般在高频时不使用 单点接地系统。单点接地系统。 2、多点接地、多点接地 多点接地系统通常用在高频和数字电路中以尽量减小接地阻抗。在多点多点接地系统通常用在高频和数字电路中以尽量减小接地阻抗。在多点 接

14、地系统中，所有电路都被连接到最近的低阻抗地平面（一般是机壳或机接地系统中，所有电路都被连接到最近的低阻抗地平面（一般是机壳或机 架），这时地阻抗主要是由地平面的电感决定。架），这时地阻抗主要是由地平面的电感决定。 在频率非常高的电路中，应当尽量减小接在频率非常高的电路中，应当尽量减小接 地导线的长度。而在低频时，应当避免多点接地导线的长度。而在低频时，应当避免多点接 地，因为来自每一个电路的地电流都会流经地地，因为来自每一个电路的地电流都会流经地 平面。高频时，通过金属表面镀银能够降低地平面。高频时，通过金属表面镀银能够降低地 平面的公共阻抗，而由于集肤效应的存在，电平面的公共阻抗，而由于集肤

15、效应的存在，电 流只在导体表面流动，增加地平面的厚度对高流只在导体表面流动，增加地平面的厚度对高 频阻抗没有什么影响。频阻抗没有什么影响。 一般，当频率低于一般，当频率低于1MHz时，单点接地是可时，单点接地是可 取的，频率在取的，频率在10MHz以上时，则应当采用多点以上时，则应当采用多点 接地。而当频率在接地。而当频率在1MHz10MHz时，通常也时，通常也 采用单点接地，但是要保证接地导线的长度小采用单点接地，但是要保证接地导线的长度小 于于1/20波长，否则应采用多点接地。波长，否则应采用多点接地。 公共阻抗耦合，会产生很多接地问题。通常需要从三个方面考虑公共阻公共阻抗耦合，会产生很多

16、接地问题。通常需要从三个方面考虑公共阻 抗耦合：抗耦合： 高接地阻抗（通常是接地电感太大）高接地阻抗（通常是接地电感太大） 大的地电流（一般是工频电流或从磁场中拾取）大的地电流（一般是工频电流或从磁场中拾取） 敏感（低噪声容限）的电路与地连接敏感（低噪声容限）的电路与地连接 单点接地系统，采用分离可能形成干扰的地点流并强迫他们流到不同导单点接地系统，采用分离可能形成干扰的地点流并强迫他们流到不同导 体上的方法解决了这些问题。但在高频时，由于单一的电流路径和长度使体上的方法解决了这些问题。但在高频时，由于单一的电流路径和长度使 电感增大，反而非常不利。除此之外，在高频时寄生电容会使地环路闭合，电

17、感增大，反而非常不利。除此之外，在高频时寄生电容会使地环路闭合， 也几乎不可能实现单点接地。也几乎不可能实现单点接地。 多点接地系统，通过阻抗很低的地平面解决了这些问题，接地系统通过多点接地系统，通过阻抗很低的地平面解决了这些问题，接地系统通过 大量的并联路径或一个完整的金属板（平面结构）相互连接。但是多点接大量的并联路径或一个完整的金属板（平面结构）相互连接。但是多点接 地也形成了可能易于磁场耦合的地环路。解决的方法是通过使用网格或平地也形成了可能易于磁场耦合的地环路。解决的方法是通过使用网格或平 面结构来减小环路面积，并避免面结构来减小环路面积，并避免 低噪声容限（毫伏或微伏）电路多点接地

18、。低噪声容限（毫伏或微伏）电路多点接地。 数字逻辑电路能够产生高频信号，所以必须把它当作高频电路处理。在数字逻辑电路能够产生高频信号，所以必须把它当作高频电路处理。在 任何有大量数字逻辑电路的印刷电路板上，都必须使用一个良好的低电感任何有大量数字逻辑电路的印刷电路板上，都必须使用一个良好的低电感 地。尽管数字逻辑应当使用多点接地，但由于高频电流并不流经电路板上地。尽管数字逻辑应当使用多点接地，但由于高频电流并不流经电路板上 的电源线，所以它的供电不需要多点接地。的电源线，所以它的供电不需要多点接地。 2、混合接地、混合接地 混合接地是一种组合的接地形式，它跟据电路功能、频率、接地电路及混合接地

19、是一种组合的接地形式，它跟据电路功能、频率、接地电路及 安全等因素，将多种接地方式组合在一起。安全等因素，将多种接地方式组合在一起。 利用电容的隔离作用构成利用电容的隔离作用构成混合接地混合接地 系统。系统。 在低频时，它是单点接地系统；而在在低频时，它是单点接地系统；而在 高频时，由于电容的旁路作用，它有是高频时，由于电容的旁路作用，它有是 一个多点接地系统。一个多点接地系统。 常用的混合接地形式：常用的混合接地形式： 利用电感的隔离作用构成利用电感的隔离作用构成混合接地混合接地 系统。系统。 这种混合接地系统，既能保证在一定这种混合接地系统，既能保证在一定 频率上，它是单点接地系统；又能为

20、直频率上，它是单点接地系统；又能为直 流电流提供通路，避免设备间的直流电流电流提供通路，避免设备间的直流电 位差过大。位差过大。 功能化混合接地。功能化混合接地。 根据电路的功能不同，在每种电路的根据电路的功能不同，在每种电路的 内部采用最适合的接地系统，然后再将不内部采用最适合的接地系统，然后再将不 同电路的地连接在一起。通常不同功能的同电路的地连接在一起。通常不同功能的 电路之间，都是采用单点接地方式电路之间，都是采用单点接地方式 分组接地。分组接地。 大多数低频接地系统都采用串联与并联大多数低频接地系统都采用串联与并联 单点接地的组合形式。这是为了在满足电单点接地的组合形式。这是为了在满

21、足电 气噪声标准的同时，又避免布线过于复杂气噪声标准的同时，又避免布线过于复杂 的一种折中结果。分组接地，能够保证电的一种折中结果。分组接地，能够保证电 源与噪声水平变化大的电路不会共享同一源与噪声水平变化大的电路不会共享同一 条回流地线。条回流地线。一般系统都至少需要三种分一般系统都至少需要三种分 离的地回流，而且这三个分离的地必须在离的地回流，而且这三个分离的地必须在 一点接地。一点接地。 第二节第二节 单点接地电路单点接地电路 一、接地噪声一、接地噪声 事实上，几乎没有两个接地点的电位是完全相等的。所以如果电路有一事实上，几乎没有两个接地点的电位是完全相等的。所以如果电路有一 个以上的接

22、地点，地电位将会耦合进电路，对电路形成干扰。个以上的接地点，地电位将会耦合进电路，对电路形成干扰。 为了说明接地噪声的影响，我们可以将电路看作是一个放大器。并且用为了说明接地噪声的影响，我们可以将电路看作是一个放大器。并且用 不同的符号来表示不同的接地点。不同的符号来表示不同的接地点。 等效电路等效电路 通常：通常： 1CLS2C1CRRRRR, 所以：所以：G G2C 2C S1CL L NV RR R RRR R V 这种影响究竟有多大呢？这种影响究竟有多大呢？ 例：我们设例：我们设V VG G=100mV, R=100mV, RG G=0.01=0.01, 接地电流接地电流 为为10A，

23、R RS S=500=500, , R RC1 C1=R =RC2 C2=1 =1, R, RL L=10K=10K，求，求 耦合到接收电路中的噪声电压耦合到接收电路中的噪声电压V VN N？ G G2C 2C S1CL L NV RR R RRR R V mV100 0101 1 5001K10 K10 . mV95 由此可见几乎由此可见几乎100mV的地电位噪声电压，都完全耦合到接收电路之中了。的地电位噪声电压，都完全耦合到接收电路之中了。 减小接地噪声关键在于信号源减小接地噪声关键在于信号源VS的对地电阻。的对地电阻。 增大信号源对地电阻，可以减小地噪声的耦合。增大信号源对地电阻，可以减

24、小地噪声的耦合。 等效电路等效电路 当信号源对地电阻不为当信号源对地电阻不为0时，时，VN可以表示为：可以表示为： G GG2C 2C S1CL L NV ZRR R RRR R V 如果我们取信号源和地之间的电阻为：如果我们取信号源和地之间的电阻为：ZG=1M，并且保持其它的条件不变。，并且保持其它的条件不变。 那么我们前面所举的例子，放大器端子上的电压就会只有：那么我们前面所举的例子，放大器端子上的电压就会只有：0.095V。而当信。而当信 号源对地电阻号源对地电阻ZG为无穷大时，就不会再有噪声电压耦合进放大器了。为无穷大时，就不会再有噪声电压耦合进放大器了。 二、放大器的屏蔽二、放大器的

25、屏蔽 通常，高增益放大器都被封装在金属的屏蔽罩内，以实现对电场的防护。通常，高增益放大器都被封装在金属的屏蔽罩内，以实现对电场的防护。 但随之而来的问题就是：屏蔽罩的接地应该在哪里？但随之而来的问题就是：屏蔽罩的接地应该在哪里？ 等效电路等效电路 从上面的图中，我们可以看出从上面的图中，我们可以看出C3S和和C1S为放大器提供了一个从输出到输入为放大器提供了一个从输出到输入 的正反馈路径，如果不消除这个反馈放大器可能会产生振荡。的正反馈路径，如果不消除这个反馈放大器可能会产生振荡。 只有将屏蔽罩连接到放大器的公共端，才能切断这个反馈路径。通过这只有将屏蔽罩连接到放大器的公共端，才能切断这个反馈

26、路径。通过这 个连接，电容个连接，电容C2S短路反馈路径切断，即使是放大器公共端没有接地，我们短路反馈路径切断，即使是放大器公共端没有接地，我们 也应该这样进行屏蔽罩的连接。也应该这样进行屏蔽罩的连接。 三、电缆屏蔽层的接地三、电缆屏蔽层的接地 如果屏蔽层的接地点不止一个，那么就会产生噪声干扰。即使是使用屏蔽如果屏蔽层的接地点不止一个，那么就会产生噪声干扰。即使是使用屏蔽 双绞线，屏蔽层上的电流也可能将不相等的电压耦合到电缆信号线上，形成双绞线，屏蔽层上的电流也可能将不相等的电压耦合到电缆信号线上，形成 噪声源；对于同轴电缆来说，屏蔽层上的电流可以通过其上的电阻直接形成噪声源；对于同轴电缆来说

27、，屏蔽层上的电流可以通过其上的电阻直接形成 干扰。因此，我们知道低频信号电缆的屏蔽层应当只在一点接地，那么这个干扰。因此，我们知道低频信号电缆的屏蔽层应当只在一点接地，那么这个 点又应当接在什么位置呢？点又应当接在什么位置呢？ 接地点，还会有所不同？接地点，还会有所不同？ 屏蔽电缆可以有多个接地点，但是由于寄生电容的存在，在不同的点进行屏蔽电缆可以有多个接地点，但是由于寄生电容的存在，在不同的点进行 接地产生的结果并不相同。接地产生的结果并不相同。 图中屏蔽电缆可以有图中屏蔽电缆可以有A、B、 C、D四个接地点，很显然四个接地点，很显然A 点是最不期望的连接点。这点是最不期望的连接点。这 是因

28、为是因为A点接地，允许噪声点接地，允许噪声 电流流入其中一条信号线，电流流入其中一条信号线， 会在信号线上产生一个与信会在信号线上产生一个与信 号源相串联的噪声电压。号源相串联的噪声电压。 1、放大器接地、信号源不接地、放大器接地、信号源不接地 下面在进行接地点影响分析前，我们必须明确下面在进行接地点影响分析前，我们必须明确: 任何在接受器输入端任何在接受器输入端1、2只间，产生的附加电压又属于干扰电压。只间，产生的附加电压又属于干扰电压。 1、放大器接地、放大器接地 B点接地点接地C点接地点接地D点接地点接地 )(1G2G 21 1 12VV CC C V 0V12 1G 21 1 12V

29、CC C V 2、信号源接地、放大器不接地、信号源接地、放大器不接地 显然显然C是不能接地的，因为是不能接地的，因为C点接地，允许噪声电流流入其中一条信号点接地，允许噪声电流流入其中一条信号 线，会在信号线上产生一个与信号源相串联的噪声电压。线，会在信号线上产生一个与信号源相串联的噪声电压。 )(1G2G 21 1 12VV CC C V 0V12 1G 21 1 12V CC C V B点接地点接地 D点接地点接地A点接地点接地 3、屏蔽双绞线和同轴电缆的接地、屏蔽双绞线和同轴电缆的接地 单端电路的接地单端电路的接地 屏蔽双绞线，接收器接地屏蔽双绞线，接收器接地 屏蔽双绞线，信号源接地屏蔽双

30、绞线，信号源接地 同轴电缆，接收器接地同轴电缆，接收器接地 同轴电缆，信号源接地同轴电缆，信号源接地 双端电路的接地双端电路的接地 屏蔽双绞线两端接地，能够将部分地环路电流短路到地屏蔽双绞线两端接地，能够将部分地环路电流短路到地 同轴电缆两端接地，迫使部分电流流过屏蔽层而不是中心导体同轴电缆两端接地，迫使部分电流流过屏蔽层而不是中心导体 当信号电路两端接地，接收器将受到地电位的影响。对于抗干扰能力当信号电路两端接地，接收器将受到地电位的影响。对于抗干扰能力 要求比较高的系统，可以采用变压器、光耦或差分放大器，来切断地环要求比较高的系统，可以采用变压器、光耦或差分放大器，来切断地环 路的影响。路

31、的影响。 第三节第三节 地地 环环 路路 一、地环路一、地环路 地环路有时会成为噪声源，尤其是当多个接地环路有时会成为噪声源，尤其是当多个接 地点相距很远，地点相距很远， 并且被连接到交流电源的地上时，或者是在低电平模拟电路时并且被连接到交流电源的地上时，或者是在低电平模拟电路时 就会形成干扰。就会形成干扰。 有什么办法可以减小地环路的影响呢？有什么办法可以减小地环路的影响呢？ 通常可以采用两种方法抑制地环路的影响：通常可以采用两种方法抑制地环路的影响： 1、去掉一个接地点，避免形成地环路、去掉一个接地点，避免形成地环路 2、将两个电路隔离，消除或最大限度地减小多点接地对电路的影响。、将两个电

32、路隔离，消除或最大限度地减小多点接地对电路的影响。 二、实现隔离的方法二、实现隔离的方法 1、变压器隔离、变压器隔离 使用变压器将两个电路隔离，这使用变压器将两个电路隔离，这 时地噪声出现在变压器的两个绕组时地噪声出现在变压器的两个绕组 之间，噪声的耦合主要受变压器绕之间，噪声的耦合主要受变压器绕 组之间的寄生电容影响，在绕组之组之间的寄生电容影响，在绕组之 间放置屏蔽层能够减小噪声的耦合。间放置屏蔽层能够减小噪声的耦合。 尽管变压器能够达到很好的效尽管变压器能够达到很好的效 果，但存在着一些不足，如：体积果，但存在着一些不足，如：体积 大、频率范围小、不能通过直流、大、频率范围小、不能通过直

33、流、 价格昂贵等。除此以外，如果电路价格昂贵等。除此以外，如果电路 之间有多个信号，就要使用大量的之间有多个信号，就要使用大量的 变压器。变压器。 2、共模扼流圈隔离、共模扼流圈隔离 3、光耦合隔离、光耦合隔离 共模扼流圈可以在传输直流和差共模扼流圈可以在传输直流和差 模信号的同时，抑制共模交流信号。模信号的同时，抑制共模交流信号。 此时，共模交流信号出现在扼流线此时，共模交流信号出现在扼流线 圈上，而没有出现在电路的输入端。圈上，而没有出现在电路的输入端。 由于共模扼流圈对差模信号没有影由于共模扼流圈对差模信号没有影 响，所以多个信号线可以被绕在同响，所以多个信号线可以被绕在同 一个磁芯上，

34、相互之间不会产生串一个磁芯上，相互之间不会产生串 扰。扰。 光耦光耦(光纤光纤)是消除共模噪声的有是消除共模噪声的有 效方法，它能完全隔断两个接地点效方法，它能完全隔断两个接地点 之间的金属路径。对于两个接地点之间的金属路径。对于两个接地点 之间有很大的电压差之间有很大的电压差(高达几千伏高达几千伏) 是很有效的。由于共模噪声电压只是很有效的。由于共模噪声电压只 能出现在光耦上，所以不会出线在能出现在光耦上，所以不会出线在 电路的输入端。电路的输入端。 对于数字电路，光耦十分适用，对于数字电路，光耦十分适用， 而模拟电路可以采用光反馈技术进而模拟电路可以采用光反馈技术进 行隔离。行隔离。 4、

35、平衡电路、平衡电路 平衡电路也可以进行共模地噪声平衡电路也可以进行共模地噪声 的隔离，在平衡电路中，共模地电的隔离，在平衡电路中，共模地电 压产生的电流被等分。由于平衡接压产生的电流被等分。由于平衡接 收电路只对两个输入端之间的电压收电路只对两个输入端之间的电压 差有响应，所以能够抑制共地噪声。差有响应，所以能够抑制共地噪声。 平衡电路的平衡度越好，共模噪平衡电路的平衡度越好，共模噪 声抑制能力就越强，然而随着频率声抑制能力就越强，然而随着频率 的增加，获得高平衡电路的难度也的增加，获得高平衡电路的难度也 越来越大。越来越大。 三、共模扼流圈的低频分析三、共模扼流圈的低频分析 共模扼流圈对共模

36、交流电流有很共模扼流圈对共模交流电流有很 强的抑制能力。强的抑制能力。 那什么是共模电流呢？那什么是共模电流呢？ 电路中信号线间大小相等方向相电路中信号线间大小相等方向相 同的电流称为共模电流。同的电流称为共模电流。 1、共模扼流圈对差模信号的影响、共模扼流圈对差模信号的影响 共模扼流圈的等效电路共模扼流圈的等效电路 在确定共模扼流圈对差模信号的影响时，我们可以认为共模信号为零，并在确定共模扼流圈对差模信号的影响时，我们可以认为共模信号为零，并 且且RLRC1、RC2所以电路可以变为：所以电路可以变为： 好眼熟的电路阿好眼熟的电路阿 当信号的频率大于当信号的频率大于5倍的截止频率倍的截止频率

37、(=RC2/L2)时，地平面中没有电流流过。时，地平面中没有电流流过。 因为：因为：L1=L2=M，RLRC2 S2LSS21SIRCRMIj2ILLjV)()(-w ww w L S 2CL S S R V RR V I 信号频率大于信号频率大于5倍截止频率时，对差模信号没有影响。倍截止频率时，对差模信号没有影响。 2、共模扼流圈对共模信号的影响、共模扼流圈对共模信号的影响 在确定共模扼流圈对共模信号的影响时，我们同样可以认为差模信号为零，在确定共模扼流圈对共模信号的影响时，我们同样可以认为差模信号为零， 并且并且RLRC1、RC2所以电路可以变为：所以电路可以变为： I1网孔电压方程为：网

38、孔电压方程为： L1211GRIMIjILjVww I2网孔电压方程为：网孔电压方程为： 22C122GIRMIjILjVww 2C2 1G 2 RLj MIjV I - w w 因为：因为：L1=L2=M L2CL2C 2CG 1 RRRRLj RV I )(w RLRC2，所以：，所以： LRj LRV V 2C 2CG N / / w 共模扼流圈特性曲线共模扼流圈特性曲线 为减小噪声电压，应当尽量减小为减小噪声电压，应当尽量减小RC2，并且扼流圈电感应当满足：，并且扼流圈电感应当满足： w 2CR L 同时，扼流圈也必须足够大，以保证电路中的不平衡电流不会使其饱同时，扼流圈也必须足够大，

39、以保证电路中的不平衡电流不会使其饱 和。和。 我们可以计算出共模扼流圈的插入损耗为：我们可以计算出共模扼流圈的插入损耗为： 3、共模扼流圈的高频分析、共模扼流圈的高频分析 以上我们对共模扼流圈的分析，并没有考虑寄生电容的影响，显然是对共以上我们对共模扼流圈的分析，并没有考虑寄生电容的影响，显然是对共 模扼流圈的低频分析。如果将共模扼流圈用在高频段模扼流圈的低频分析。如果将共模扼流圈用在高频段(10MHz-100MHz)，则必，则必 须要考虑绕组间分布电容的影响。高频时须要考虑绕组间分布电容的影响。高频时RL是共模阻抗，电缆成为两条传输是共模阻抗，电缆成为两条传输 线，线，ZL阻值通常在阻值通常

40、在50350之间变化。之间变化。 2 L 22 LS 2 L2 2 S 42 S 2 LL ZCRLR2ZLCZR2R CRLC1R2 ZI )( )()( www ww - - 插入损耗的定义：插入损耗的定义：无扼流圈时的共模电流与有扼流圈时的共模电流之比。无扼流圈时的共模电流与有扼流圈时的共模电流之比。 共模扼流圈在共模扼流圈在RC1=RC2=5和和ZL=200时，时，10H共模扼流圈在不同寄生共模扼流圈在不同寄生 电容条件下的插入损耗：电容条件下的插入损耗： 共模扼流圈在共模扼流圈在RC1=RC2=5、ZL=200、寄生电容为、寄生电容为5pF时，不同电时，不同电 感的感的共模扼流圈的插

41、入损耗：共模扼流圈的插入损耗： 从图中我们可以看出从图中我们可以看出70MHz时，插入损耗随扼流圈电感的变化不是很时，插入损耗随扼流圈电感的变化不是很 大。高频时，寄生电容的存在严重的限制了扼流圈的插入损耗。实际上，大。高频时，寄生电容的存在严重的限制了扼流圈的插入损耗。实际上， 当频率大于当频率大于30MHz时，采用这一技术已经很难获得大于时，采用这一技术已经很难获得大于6dB12dB的插入的插入 损耗。频率很高时，可以认为扼流圈对共模噪声电流是短路的。损耗。频率很高时，可以认为扼流圈对共模噪声电流是短路的。 四、差分放大器四、差分放大器 差分放大器有两个输入电压差分放大器有两个输入电压V1

42、和和V2，输出电压的大小等于放大器的增，输出电压的大小等于放大器的增 益益A乘以两个输入电压的电压差：乘以两个输入电压的电压差：VO=A(V1-V2) 通常可以使用双端输入平衡放大器或具有中心接到抽头的隔离变压器通常可以使用双端输入平衡放大器或具有中心接到抽头的隔离变压器 来构成差分放大器。来构成差分放大器。 双端输入平衡放大器双端输入平衡放大器 构成的差分放大器构成的差分放大器 使用具有中心抽头的变使用具有中心抽头的变 压器构成的差分放大器压器构成的差分放大器 差分放大器的输入端可以等效为电桥结构：差分放大器的输入端可以等效为电桥结构： 由于由于RL1，RL2RG，所以共模噪声电压，所以共模

43、噪声电压VG引起的放大器输入电压可引起的放大器输入电压可 以表示为：以表示为： G 2C2L 2L 21C1L 1L 21NV RR R RRR R VVV - - 可见，增大放大器的输入阻抗可见，增大放大器的输入阻抗(RL1和和RL2)能够减小耦合到放大器上的能够减小耦合到放大器上的 噪声电压；此外，降低源电阻噪声电压；此外，降低源电阻RS也能够减小耦合放大器上的噪声电压。也能够减小耦合放大器上的噪声电压。 例：差分放大器电路中，例：差分放大器电路中，VG=100mV、RG=0.01、RS=500、RC1=RC2=1、 RL1=RL2=10k。我们可以计算出。我们可以计算出VN=4.6mV，

44、然而如果，然而如果RL1=RL2=100k，则，则 VN=0.5mV（降低（降低20dB）。）。 差分放大器对共模噪声的衰减作用：差分放大器对共模噪声的衰减作用： 增大差分放大器对共模电压的输入阻抗，也可以减小放大器耦合的噪增大差分放大器对共模电压的输入阻抗，也可以减小放大器耦合的噪 声电压。声电压。 单端接地电路，具有很强的接地噪声抑制能力。但是由于寄生电容的存单端接地电路，具有很强的接地噪声抑制能力。但是由于寄生电容的存 在，影响了单端接地电路对共模接地噪声的衰减效果。而对于高频电路这在，影响了单端接地电路对共模接地噪声的衰减效果。而对于高频电路这 种影响更成为不可忽视的因素。种影响更成为

45、不可忽视的因素。 第四节第四节 保护屏蔽保护屏蔽 从图中我们可以看出：由于寄生电容从图中我们可以看出：由于寄生电容C1G和和C2G的存在，产生了两个我们的存在，产生了两个我们 不希望存在的电流不希望存在的电流I1和和I2，如果这两个电流流过的阻抗不相等，就会在放大，如果这两个电流流过的阻抗不相等，就会在放大 器的两个输入端形成电压差，对电路构成干扰。器的两个输入端形成电压差，对电路构成干扰。 从图中我们可以看出只有保护屏蔽和从图中我们可以看出只有保护屏蔽和A点等电位时，才可以有效的消除点等电位时，才可以有效的消除 寄生电容的影响。寄生电容的影响。 为消除寄生电容对电路产生的影响，我们可以对放大

46、器进行屏蔽，我为消除寄生电容对电路产生的影响，我们可以对放大器进行屏蔽，我 们把这种技术称为：保护屏蔽。们把这种技术称为：保护屏蔽。 怎么样才能实现保护屏蔽与怎么样才能实现保护屏蔽与A点等电位呢？点等电位呢？ 我们可以首先将保护屏蔽体连接到电缆的屏蔽层上，然后将电缆屏蔽层我们可以首先将保护屏蔽体连接到电缆的屏蔽层上，然后将电缆屏蔽层 的另一端连接到信号源的地上。的另一端连接到信号源的地上。 A点并不是一个很好的选择，因为如果信号源和点并不是一个很好的选择，因为如果信号源和A之间存在电位差，就之间存在电位差，就 会降低保护屏蔽的效果会降低保护屏蔽的效果。 为什么不直接连接到为什么不直接连接到A点

47、上呢？点上呢？ 通常只有在以下情况才会使用保护屏蔽：通常只有在以下情况才会使用保护屏蔽：1、测量极低的信号；、测量极低的信号；2、存在、存在 非常大的共模电压，并且其它的抑制技术已被用于将噪声降到了最小值。保非常大的共模电压，并且其它的抑制技术已被用于将噪声降到了最小值。保 护屏蔽既可以用在单端放大器中，也可以用于差分放大器中。护屏蔽既可以用在单端放大器中，也可以用于差分放大器中。 双层屏蔽双层屏蔽 在保护屏蔽放大器中，任何处于在保护屏蔽放大器中，任何处于B电位的接地点都会增加输入导线对地电位的接地点都会增加输入导线对地 电容。因此为了能够工作，放大器必须通过自带的电池供电或通过静电屏电容。因

48、此为了能够工作，放大器必须通过自带的电池供电或通过静电屏 蔽变压器供电。不仅如此，保护屏蔽体上任何一点与接地点蔽变压器供电。不仅如此，保护屏蔽体上任何一点与接地点B短路也都会短路也都会 使保护屏蔽失效。使保护屏蔽失效。 实际电路在保护屏蔽的周围还有第二个屏蔽体来保证屏蔽的完整性，通实际电路在保护屏蔽的周围还有第二个屏蔽体来保证屏蔽的完整性，通 常这个屏蔽体都连接在本地接地点常这个屏蔽体都连接在本地接地点B上，以满足安全性的要求。上，以满足安全性的要求。 保护屏蔽实例：保护屏蔽实例： 例：一个数字电压表，其中例：一个数字电压表，其中 R1=R2=0，RS=2.6k， C1G=C2G=100pF。在频率等于。在频率等于 60Hz时，时，VG=100mV，100pF 在在60Hz时的电抗为时的电抗为26M。没。没 有保护屏蔽时放大器上的噪声有保护屏蔽时放大器上的噪声 电压为：电压为： G G22 2 G11S 1S NV ZR R ZRR RR V - 可以求出：没有保护屏蔽时放可以求出：没有保护屏蔽时放 大器上的噪声电压为：大器上的噪声电压为：10V。 放大器增加保护屏蔽后，放大器增加保护屏蔽后， C1G=C2G=2pF，此时输入噪声，此时输入噪声 电压将为：电压将为：0.2V。噪声性能。噪声性能 改善了改善了34dB。 有保护仪表有保护仪表 现在很多带有保护