接地方法及其消除接地阻抗

接地方法及其消除接地阻抗 序言 在電子設(shè)備中，接地是抑制噪聲和防止干擾的主要方法。在設(shè)計(jì)中如能把接 地和屏蔽正確地結(jié)合起來使用，即能解決大部分噪聲問題，所以在電路設(shè)計(jì)中對 接地方式必須加以充分的注意。從表面看，接地問題似乎很簡單，無須付出更多 的精力，但從長遠(yuǎn)來看，設(shè)備投入運(yùn)用以后，如不產(chǎn)生噪聲和干擾，這將對使用 相維修兩方面都非常有利，從而節(jié)省了人力和物力。 接地設(shè)計(jì)有兩個(gè)基本目的： (1)消除各電路電流流經(jīng)一個(gè)公共地線阻抗時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓。 (2)避免受磁場和地電位差的影響，即不使其形成地環(huán)路。如果接地方式處理得 不好就會形成噪聲藕合。 一、接地的要求 1．接地平面應(yīng)是零電位，它作為系統(tǒng)中各電路任何位置所有電信號的公共電位 參考點(diǎn)。 2．理想的接地平面應(yīng)是零電阻的實(shí)體，電流在接地平面中流過時(shí)應(yīng)沒有壓降， 即各接地點(diǎn)之間沒有電位差；或者說各接地點(diǎn)間的電壓與線路中任何功能部 分的電位比較均可忽略不計(jì)。 3．良好的接地平面與布線間將有大的分布電容，而平面本身的引線電感將很小。 理論上它必須能吸收所有信號，而是設(shè)備穩(wěn)定的工作，接地平面應(yīng)采用低阻 抗材料制成，而且有足夠的長度、寬度和厚度，以保證在所有頻率上它的兩 邊之間均呈現(xiàn)低阻抗。用于安裝固定式裝備的接地平面應(yīng)由整體銅板或銅網(wǎng) 組成。 4 ?理想的接地，要求盡量減低多電路公共接地阻抗上所產(chǎn)生的干擾電壓，同時(shí) 還要盡量避免形成不必要的地回路。 二、消除公共阻抗干擾 消除公共阻抗干擾的主要途徑為減小公共地線的阻抗，主要有以下3種接地方式。 1、單點(diǎn)接地 每一個(gè)電路模塊都單獨(dú)接到一個(gè)單點(diǎn)地上。多個(gè)電路的單點(diǎn)接地又分為串 聯(lián)、并聯(lián)兩種，如圖1、2所示。 信號串聯(lián)單點(diǎn)接地方式的地回路干擾如圖1所示，導(dǎo)線本身有一定的阻抗。 圖1中，U為電路A的零電位參考點(diǎn)A的電位；U為電路B的零電位參點(diǎn)B A B 的電位；U為電路C的零電位參考點(diǎn)C點(diǎn)的電位。由圖1可知： C U = (I +1 +1 )?R (1) A 12 3 1 U = (I +1 +1 )R + (I +1 )R (2) A 1 2 3 1 2 3 2 U = (I +1 +1 )?R + (I +1 )?R + IR (3) A 1 2 3 1 2 3 2 3 3 由式(1)、(2)、⑶可知：U主U主U，U與后面電路B和C的電流I和I有關(guān); A B C A 2 3 U與電路A和電路C的電流I、I以及電阻R、R有關(guān)；U與電路A、B的 B 13 12 C 電流I、I和電阻R、R有關(guān)，它們的地電流相互影響而產(chǎn)生干擾。以上僅考 1 2 1 2 慮地線連接的電阻，如考慮電感L、L、L，則電路A、B、C之間的相互干擾 1 2 3 就更復(fù)雜了。 電路 A B C L* XT 甘 ―(.： 圖2：并聯(lián)單點(diǎn)接地 并聯(lián)單點(diǎn)接地如圖2所示。在這種情況下，三個(gè)電路各自的參考電位分別 為U二IZ， U二IZ U二IZ，在不考慮它們之間互感的情況下，各電路的 A 11 B 2 2 C 3 3 地電位只與本電路的地電流、地線阻抗有關(guān)，而與其它電路無關(guān)，地電流各自獨(dú) 立、互不干擾，是一種常用的好方法。但這種方式需要很多根接地連線，用起來 比較笨重，在高頻時(shí)，因?yàn)楦髀返鼐€電感之間的互感將造成噪聲的耦合。當(dāng)頻率 升高時(shí)，特別是當(dāng)?shù)鼐€長度為1/4波長的奇數(shù)倍時(shí)，地線阻抗變得很高，這時(shí)地 線就變成了天線，可向外輻射信號。因此，這種接地法適用于數(shù)兆赫茲以下的電 路。 2、多點(diǎn)接地 其基本形式有兩種：一種是將電路模塊通過許多小于0.1入（入為波長）的短 線連接起來;另一種是將子單元通過許多短線與機(jī)架或其他低阻抗導(dǎo)體連接。如 圈卜電站2-電路1 圖3：用短線連接的多點(diǎn)接地 安全地 設(shè)備機(jī)盟 圖4通過機(jī)架構(gòu)成的多點(diǎn)接地 3、混合接地 即既包含單點(diǎn)接地特性又包含多點(diǎn)接地特性的接地形式。例如系統(tǒng)內(nèi)的電源 需要單點(diǎn)接地，而高頻信號又要求多點(diǎn)接地，這時(shí)就可以采用圖5、6所示的混 合接地。由于電容的通交隔直作用，對于直流電源，電容開路為單點(diǎn)接地；對于 高頻信號，電容短路為多點(diǎn)接地。 / / / / / / / / ////// / / /// 圖5所示的是低頻時(shí)單點(diǎn)接地，高頻時(shí)多點(diǎn)接地的接地系統(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(diǎn)接地, 而在高頻時(shí)，電纜是多點(diǎn)接地的。 電路1 電路2 電路3 圖6：混合接地電感型 圖6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)用的 不如圖5所示接地系統(tǒng)那么普遍，主要用在出于安全考慮，多個(gè)機(jī)箱要接到安全 地上而希望電路單點(diǎn)接地的場合。 4、浮空接地 針對地回路對放大器的影響。如圖7所示是通常的接地連接，它有二個(gè)接 地點(diǎn)：源地和放大器地，信號線用雙芯屏蔽電纜，圖7是實(shí)際連接，圖8和圖9 則是它的等效電路和簡化圖。 圖7：基本接地接線圖 K, 圖8：等效電路 圖9：等效電路簡化圖 圖中R為電纜電阻，R為屏蔽層電阻，Z為放大器輸入阻抗，R為地電 cs eg in g 阻，E是原電阻與放大器地之間的電位差所造成的共模源（噪聲源）。如果 cm R《R +R + Z，則噪聲V為： eg s cs in n Z R V = in eg E n Z + R + R R + R cm in cs s cg g 現(xiàn)舉例說明，設(shè)R = 0.010，E = 1mV,R = 5000,R = 10,Z = 10kQ，R = 10， g cm s cs in cg 則V = 0.95mV。這樣大的則V加到放大器的輸入端是不可想象的。 n n 在這種情況下就應(yīng)該考慮浮空接地的辦法，如圖10所示。在源地處加一電 阻R，將地回路的電流通過R減少，若有: sg sg R 《R +R + Z eg s cs in R ■.-■■■■ R +R sg cg g … Z R 貝卩 V = in cg.E n Z + R + R R cm in cs s sg 若R —g，即完全斷開源地，則V = 0。若R = 1M0，則V = 0.95nV。因此 sg n sg n 浮空接地法將減小干擾達(dá)120dB。 "疋液嚶 Z簽達(dá)屯路 圖10：浮空接地示意圖 通過以上討論，我們可以得到以上這樣的實(shí)踐啟示以減小E。第一，源和 cm 前置放大器應(yīng)在同一點(diǎn)接地，使E二0 ；第二，用短線或金屬板連接框架，使 cm R二0 ；第三，信號源對地浮空，使R “ ；第四，放大器用電池供電或在放 eg eg 大器地處接10-10kQ電阻也可達(dá)到浮地效果。 綜上所述，地回路信號是系統(tǒng)中連接了一個(gè)以上的地所造成的，而浮空接地 則消除了多個(gè)地，也就是說，源和信號線的屏蔽層只在信號源一處接地，這就是 減小感應(yīng)干擾的最好接法，即屏蔽線應(yīng)避免與一個(gè)以上的接地系統(tǒng)相觸。 三、接地的基本方法 盡管地線存在干擾，但只要選擇良好的接地方法,地線也能成為一種有效控制 干擾的重要手段。如果僅從電路參考點(diǎn)及消除地線干擾的角度出發(fā)，地線的接地 方法應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。 1、盡量減小地線阻抗 減小地線阻抗的一個(gè)有效辦法是將多根導(dǎo)線并聯(lián)。例如當(dāng)兩根導(dǎo)線并聯(lián)時(shí), 其總電感L為： 了 LL -M2 L = —1 2 LL -2M 1 2 式中：L、L分別為兩根導(dǎo)線的自感； 12 M 為兩根導(dǎo)線間的互感。 如果兩導(dǎo)線的自感相等，距離為其直徑的 3 倍以上,則總電感只相當(dāng)于單根導(dǎo)線 電感的一半。由此可見，可以通過截面大和長度短的多條接地線來減小地線阻抗， 但相互間的距離要適宜。對于印制電路板，在尺寸允許的條件下，應(yīng)盡量加寬地 線寬度。電路的工作頻率越高，地線應(yīng)越寬，地線最好比電源線、信號線寬，所 以通常可把印制電路板上未被用上的地方都用做地線。如果是雙層板，還可將地 線設(shè)計(jì)成接地面或地線網(wǎng)格，多層板則可專門用一層做地線。 2、 正確選擇單點(diǎn)、多點(diǎn)或混合接地 當(dāng)信號工作頻率小于 1MHz 時(shí)，可以采用單點(diǎn)接地。其中并聯(lián)單點(diǎn)接地在低 頻電路中應(yīng)用最廣，缺點(diǎn)是接地的導(dǎo)線過多。因此，對于同類電路或相互干擾較 少的電路，應(yīng)盡量采用串聯(lián)單點(diǎn)接地。在串聯(lián)單點(diǎn)接地時(shí)，如果系統(tǒng)中有噪聲電 路，應(yīng)按：“有噪聲f更大噪聲f最大噪聲f機(jī)殼地”的順序連接；而對于無噪 聲電路，應(yīng)按：“敏感f更敏感f最敏感f機(jī)殼地”的順序連接。 當(dāng)信號工作頻率高于 30MHz 時(shí)，或單點(diǎn)接地的地線長度超過信號波長的 1/20 時(shí)，需采用多點(diǎn)接地。多點(diǎn)接地比較適用于高頻電路和脈沖電路，但由于其 會產(chǎn)生許多接地環(huán)路易受磁場影響，故不適合敏感電路。另外，多點(diǎn)接地的地線 長度應(yīng)盡量短，并 要找最近的低阻值接地面接 地。當(dāng) 信號工作頻 率介于 1MHz~30MHz 之間時(shí)，或當(dāng)?shù)鼐€系統(tǒng)需要在低頻段和高頻段呈現(xiàn)出不同特性時(shí)， 例如寬帶靈敏電路，則宜采用混合接地。但在混合接地中由于使用了電抗性元件 接地，所以應(yīng)注意寄生諧振的發(fā)生，這種諧振會使干擾增強(qiáng)。 3、 正確選擇隔離方法 切斷地線環(huán)路是消除地環(huán)路干擾的有效方法，可根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別采用磁耦 合或光耦合。從頻率應(yīng)用范圍和隔離效果來說，理想方法是光電耦合。至于浮地 式結(jié)構(gòu)，主要用于極靈敏電路，其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能好，不受大地電性能的影響； 缺點(diǎn)是由于電路的地線與大地?zé)o導(dǎo)體連接，易產(chǎn)生靜電積累而導(dǎo)致靜電放電，從 而造成靜電擊穿或強(qiáng)烈的干擾，所以應(yīng)在信號地與機(jī)殼地之間設(shè)置一個(gè)高阻值泄 放電阻。 4、盡量將各種地線分開及自成體系 為了減小地線干擾，應(yīng)盡量避免容易相互干擾的電路共用地線，將強(qiáng)電地與 弱電地、交流地與直流地、數(shù)字地與模擬地分開。尤其在數(shù)字、模擬混合電路中， 數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，二者的地線必須分開。一般電路的數(shù) 字地與模擬地最后只有一點(diǎn)短接,甚至也有不共地的。 對于數(shù)字電路，當(dāng)印制電路板上有很多集成電路、尤其是具有耗電多的元件 時(shí)，會因地線粗細(xì)的影響，在地線上產(chǎn)生較大的電位差。為了減小地線的電位差 與各級間的地電流耦合，在附近沒有強(qiáng)磁場的情況下，可將地線盡量設(shè)計(jì)成自閉 環(huán)路，使每級電路的地電流主要在本地回路中流通，以提高電路的抗干擾能力。 5、 保證接地良好 接地的另一個(gè)關(guān)鍵問題是應(yīng)盡量減小接觸電阻并保證接地良好、方便。所以 有時(shí)為了提高接地的可靠性，可設(shè)置多個(gè)接地點(diǎn)。例如印制電路板中的公共地線 就應(yīng)布置在板的最邊緣，這樣不但可產(chǎn)生多個(gè)接地點(diǎn)，而且也便于與機(jī)架相連。 三、結(jié)論 在電子電路中,無論是給電路加上電源電壓還是在電路之間正確傳輸信號,都必須 有一個(gè)公共電位參考點(diǎn)和設(shè)有一條低阻抗回路 ,即必須設(shè)置地線。但由于地線存 在阻抗,當(dāng)電流流過地線時(shí),會在地線上產(chǎn)生電壓差,從而形成地線干擾。減小或消 除地線干擾的主要方法是減小地線的阻抗和地線電流。為此 ,可以針對不同的信 號頻率及干擾性質(zhì),根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,采用相應(yīng)的接地方式,將接地、屏蔽及 濾波等措施結(jié)合使用。對于電子設(shè)備,除了上述接地外,還有安全接地、雷電地、 屏蔽地等接地技術(shù)。為了設(shè)備和人身的安全以及電子設(shè)備正常可靠工作 ,必須重 視對地線和接地技術(shù)的研究。 參考文獻(xiàn) [1] . 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