第 三 章 接地干扰及抑制措施

第三章

接地干扰及抑制措施董积平dong.j.p@163.com010-6874402013366077317接地的目的（1）接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定地干作。（2）防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果。（3）保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备的毁坏；当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时，可避免操作人员的触电事故发生。此外，很多医疗设备都与病人的人体直接相连，当机壳带有110V或220V电压时，将发生致命危险。

因此，接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。为了防止雷击可能造成的损坏和工作人员的人身安全，电子设备的机壳和机房的金属构件等，必须与大地相连接，而且接地电阻一般要很小，不能超过规定值。安全地设备接地的一个主要目的是为了安全，当设备不接地时，一旦电力线与机壳之间绝缘层发生破损，就会造成触电。因此所有交流供电的设备都需要接地。Z1是电源线与机箱之间的阻抗，Z2是机箱与地之间的阻抗。Z1和Z2构成了一个分压器，机箱的电压由Z1和Z2比值决定。如果机箱没有接地，机箱上的电压可能很高，甚至会发生电击伤害。当机箱接地时，Z2为0，机箱的电压为0，十分安全。当电源线与机箱之间的绝缘遭到破坏时，如果机箱没有接地，则机箱的电压就是电源电压，会造成触电。当机箱接地时，会有很大的电流流到地线上，从而烧断保险。

信号电流流回信号源

的低阻抗路径。在进行电路设计时，

通常将地线定义为电路或系统的等

电位参考点。这个定义是不符合实

际情况的，因为实际的地线上电位

是不相同的。这个定义也没有突出

信号电流流回源的路径。在考虑电

磁兼容问题时，要知道电流的实际

流过路径，这样才能够分析电路的辐射和敏感情况。为了这个目的，将地线这定义为信号流回源的低阻抗路径。这个定义突出了电流的流动。当电流流过有限阻抗时，必然会导致电压降，因此这个定义反映了实际地线上的电位情况。

传统的等电位概念定义了理想地线应该具有的状态，而这里的定义反映了实际地线的电位情况。知道电流的实际路径对于分析电感耦合是十分重要的，因为电感耦合与信号环路的面积有关。需要注意的是，实际的电流路径有时并不是设计者所设计的路径。

信号地特别警告：交流电源的地线不能用作信号地线！因为一段电源地线的两点间会有数百微伏、甚至几伏的电压，这对低低频的信号电路来说是一个严重的干扰。导线的阻抗

地线的干扰来自于地线的阻抗，电流流过地线阻抗而产生了地线电压。地线的阻抗由两部分构成，电阻部分和感抗部分。从表中可以看出，当频率升高时，导体的阻抗增加很大，这是因为频率高时，感抗增加的缘故（电阻也增加）。在电磁兼容领域，最容易犯的错误是忽视导线电感引起的阻抗。特别是当导线用作接地时.当频率较高时，电感的感抗远大于电阻。经验数值：一般可用1μH/m的数值估算导线电感。Z=RAC+jLL1H/m=1/(frr)1/2r电流深度0.37II趋肤效应

频率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

导线阻抗表：（单位:Ω）

地环路干扰

地环路：当地线上有一个较大的电流通过时，由于地线的阻抗不为零，会产生电压降，这个电压会使两个电路上产生电流。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，会产生差模电压，对电路造成干扰。这种干扰由于是在地线环路中产生电流引起的，因此称为地环路干扰。地环路中的电流可能是由外界的电磁场感应出来，也可能是由于地线中流过强电流引起（来自电源或信号源）。地环路干扰形成的原因1：两个设备的地电位不同，形成地电压，在这个的驱动下，设备1-互连电缆-设备2-地，形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成干扰。地线上的电压是由于其他功率较大的设备也用这段地线，而在地线中引起的较强电流，其又与地线有较大的阻抗有关。地环路干扰形成的原因2：由于互连设备处在较强的电磁场中，电磁场在设备1-互连电缆-设备2-地形成的环路中感应出环路电流，与原因1的过程一样导致干扰。

接地电流与电压的形成导电耦合回路元件与地存在分布电容电容耦合；谐振时，接地电流增大入射场设备1设备2U（共模干扰）低频电场对电路的共模干扰（回路的天线效应）共模电流指两导线上的振幅相差很小而相位相同入射场设备1设备2低频电场对电路的异模耦合异模电流指两导线上的振幅相等而相位相反，此时不会产生地电流。当电路中的线圈靠近设备壳体时，壳体相当于只有一匝的二次线圈，它和一次线圈之间形成变压器耦合，机壳内因电磁感应将产生接地电流，而且不管线圈的位置如何，只要有变化的磁通通过壳体，就会产生感应地电流。解决地环路干扰的方法：解决地环路干扰的基本思路有两个：一个是减小地线的阻抗，选择恰当的接地点，尽量减少地回路，从而减小干扰电压。另一个是增加地环路的阻抗，从而减小地环路电流。当阻抗无限大时，实际是将地环路切断，即消除了地环路。例如将一端的设备浮地、或将线路板与机箱断开等是直接的方法。但出于静电防护或安全的考虑，这种直接的方法在实践中往往是不允许的，更实用的方法是下面介绍的隔离变压器、光耦合、共模扼流圈、平衡电路等方法。

隔离变压器

设备1设备2为了减小变压器之间的分布电容，可以在变压器之间加一电屏蔽。设备1设备2如前所述，解决地环路干扰的最基本方法是切断地环路。用隔离变压器就起到了这个作用，两个设备之间的信号传输通过磁场耦合进行，而避免了电气直接连接。这时地线上的干扰电压出现在变压器的初次级之间，而不是在电路2的输入端。变压器隔离的方法有一些缺点，如不能传输直流，体积大，成本高。由于变压器的初次级之间有寄生电容，因此高频时的隔离效果不是很好。另外不能用在直流或很低的频率上。光隔离器

发光二极管发出强弱变化的光使光电晶体管（或光敏电阻）产生相应变化的电流。光耦合对数字电路特别适用。在模拟电路中，由于电流与光强的线性关系较差，会产生较大的非线性失真。故光耦合的使用受到限制。用光传输信号是解决地环路问题的理想方法。光耦合器件的寄生电容为2pf左右，因此能够在很高的频率起到隔离作用。如果使用光纤，则没有寄生电容的问题，能够获得十分完善的隔离效果。但是，用光纤会带来其他问题：光纤连接需要更大的功率需要更多的器件光连接的线形和动态范围都达不到模拟信号的要求光缆的安装和维护比较复杂光缆连接技术一般用在数字电路中，由于其带宽很宽，因此可以用在高速数据网中。

共模扼流圈

地线电压实际是一种共模电压，在这个电压的驱动下，电缆中流过的电流是共模电流。因此可以采用在电缆上安装共模扼流圈的方法抑制地环路电流。直流和低频可以通过。

扼流圈由两个绕向相同、匝数相同所构成。一般用双线并绕而成。信号电流在两个绕组流过的方向相反，产生的磁场相互抵消，呈现低阻抗。干扰电流在两个绕组流过的方向相同，产生的磁场方向相同，对干扰呈现高阻抗。平衡电路

平衡电路定义：两个导体及其所连接的电路相对于地线或其他参考物体具有相同的阻抗。典型的平衡电路是差分放大器。但差分放大器的源端通常不是平衡的。上图所示的电路中如果：RS1=RS2,RL1=RL2,VS1=VS2,则是完全平衡的电路。地环路电流在平衡电路中产生的噪声电压：设由于地电压VG的影响，在两根导体中产生了地环路电流IN1和IN2，由于电路是平衡的，因此，IN1=IN2，负载上的电压为：VL=IN1RL1-IN2RL2+IS(RL1+RL2)=IS(RL1+RL2)因此，地环路噪声电流在负载上没有造成影响，仅有信号电流流过负载。高频时平衡是很困难的：图中的电路仅是一种理想的状态，实际的电路会有很多寄生因素，如寄生电容、电感等。这些参数在频率较高时对电路阻抗发挥着较大作用。由于这些寄生参数的不确定性，电路的阻抗也是不确定的，因此很难保证两个导体的阻抗完全相同。因此，在高频时，电路平衡性往往较差，这意味着：平衡电路对频率较高的地环路电流干扰抑制效果较差。

公共阻抗耦合：当两个电

路的地电流流过一个公共阻抗

时，就发生了公共阻抗耦合。

我们在放大器中，级与级之间

的一种耦合方式是“阻容”耦合

方式，这就是一种利用公共阻

抗进行信号耦合的应用。在这

里，上一级的输出与下一级的

输入共用一个阻抗。由于地线

就是信号的回流线，因此当两个电路共用一段地线时，彼此此也会相互影响。一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响，即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制，另一个电路的信号就耦合了进了前一个电路。对于两个共用电源的电路也存在这个问题。解决的办法是对每个电路分别供电，或加解耦电路。

~~~改进1改进2信号地线的接地方式1.单点接地123串联单点接地优点：简单缺点：公共阻抗耦合，低电平电路放在离接地点近的地方；各电路电平相差大的时候不能用。I1I2I3ABCR1R2R3123并联单点接地优点：无公共阻抗耦合缺点：接地线多、长。只适用于低频。特别要避免λ/4线开路。I1I2I3ABC串联单点接地结构由于简单而受到设计人员的青睐，但它所带来的公共阻抗耦合干扰问题又经常让人头疼。并联单点接地结构能够彻底消除电路之间的影响，但接地线很复杂。一个折衷的方法：将电路按照特性分组，相互之间不易发生干扰的电路放在同一组，相互之间容易发生干扰的电路放在不同的组。每个组内采用串联单点接地，获得最简单的地线结构，不同组的接地采用并联单点接地，避免相互之间干扰。这个方法的关键：绝不要使功率相差很大的电路或电平相差很大的电路共用一段地线。

多点接地：为了减小地线电感，在高频电路和数字电路中经常使用多点接地。在多点接地系统中，每个电路就近接到低阻抗的地线面上，如机箱。电路的接地线要尽量短，以减小电感。在频率很高的系统中，通常接地线要控制在几毫米的范围内。高频时，由于趋肤效应，电流仅在导体表面流动，因此，增加导体的厚度并不能减小导体的电阻。在导体表面镀银能够降低导体的电阻。

通常1MHz以下时，可以用单点接地；10MHz以上时，可以用多点接地，在1MHz和10MHz之间时，如果最长的接地线不超过波长的1/20，可以用单点接地，否则用多点接地。

混合接地混合接地系统在不同的频率呈现不同的接地结构。如图：上图低频时单点接地，高频时多点接地系统。这种接地系统用在要抗高频干扰的传输低频信号的屏蔽电缆上，由于传输低频信号，需要单点接地，而在高频时，电缆是多点接地。下图所示的接地系统是低频时多点接地，而高频时单点接地。这种接地系统主要用在出于安全考虑，多个机箱需要接到安全地上，而希望电路单点接地的场合。混合接地实例机柜的接地

大系统通常安装在机柜内，机柜构成系统地线的一部分。但要注意的是：机柜上通常噪声很严重，并且由于机柜上的搭接点、缝隙等存在，通常具有相当高的阻抗。图中所示的是一种典型的结构：面板与电路板连在一起，然后安装在机柜上。左边的机柜给出了正确的连接，面板与机柜之间有良好的搭接，机柜接在一次电源地上，电路地不直接连在面板或机柜上。这样，机柜上的噪声不会通过电路地。但高频时，仍会有一些机柜上的噪声通过机柜和电路之间的电容进入电路。因此要使电路与机柜之间的电容尽量小。右边的机柜是不正确的安装方法。这种安装方式中，电路地直接连接到机柜地。机柜上的噪声电流会流进电路。另注意：绝对不要依靠滑动抽屉、铰链等方式接地。这些接地方式很不可靠，用这些接地方式接地时，会造成系统的性能不稳定（取决于地线连接的状况）。当有这些不可靠的接地结构时，要么改成更可靠的接地方式，要么不要地线。

放大器屏蔽壳的接地

为了防止外界电场的影响，高增益放大器通常放在屏蔽壳内。这时放大器与屏蔽壳之间的寄生电容C1S和C3S构成了一个从输出到输入的反馈通路。这个反馈会引起放大器的振荡。解决方法：为了解决这个问题，必须将放大器的公共端与屏蔽壳连接起来。通过将屏蔽壳与放大器公共端连接，寄生电容C2S被短路，反馈被消除。

屏蔽电缆的接地

屏蔽电缆的应用是十分广泛的。但是真正取得满意效果的却很少。特别是关于电缆屏蔽层的接地问题，似乎是一个十分混乱的问题。

静电场的场合：当没有屏蔽电缆时，外界电场在信号导体直接感应出噪声电压，使电路受到影响。为此，须对电缆屏蔽。但是，如果电缆屏蔽层没有接地，外界电场在屏蔽层上感应出电压，这个电压再次感应在信号导体上，同样产生干扰。如果将屏蔽层接地，则屏蔽层上的电压为“0”，不会对信号导体产生干扰。磁场的场合：当没有屏蔽电缆时，外界磁场在信号与地线构成的回路中产生感应电流，形成干扰。增加屏蔽层后，如果屏蔽层不接地或者单端接地，磁场干扰的情况没有改变，也就是说屏蔽层没有效果。当将屏蔽层两端接地时，外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同时，也在屏蔽层与地线构成的回路中产生感应电流IS，IS也会在导体中感应出电流，但是这个电流与磁场在信号导体中感应的噪声电流方向是相反的。结果：抵消了磁场在信号导体上产生的噪声电流，起到屏蔽作用。高频电磁场的场合：对于高频电磁场，屏蔽电缆与屏蔽机箱要360°搭接。电缆屏蔽层与屏蔽机箱构成一个完全屏蔽体，将电路整个屏蔽起来。与接地于否无关。实际屏蔽电缆的接地分析

在实际工作中，我们往往是对现场是以静电场为主还是以磁场、高频电磁场为主的场合不是很清楚。通常各种成分都有。又由于条件所限，经常见到的情况是没有使用能将屏蔽层360°搭接的屏蔽连接器，只能将屏蔽层扭成小辫接到联接器或机箱上，还有屏蔽层质量原因、接地阻抗较大等原因。一般来说，出现接地问题最多的是高频电磁场为主的场合。面对各种非理想状态，许多工程技术人员摸索出许多接地方式。但是换一个环境或换一种设备，原先的接地方式又产生了问题。这就是电缆屏蔽层的接地问题思想混乱的原因。

电缆屏蔽层引入的噪声电压

当屏蔽层的两端地电位不同或外界有磁场时，会在屏蔽层上产生电流IS,为了避免这种噪声:A.电缆的屏蔽层不要作为信号的回流线（信号地线）；B.电缆的屏蔽层要单点接地（低频