接地方法及其消除接地阻抗

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1、接地方法及其消除接地阻抗 序言 在电子设备中，接地是抑制噪声和防止干扰的主要方法。在设计中如能把接 地和屏蔽正确地结合起来使用，即能解决大部分噪声问题，所以在电路设计中对 接地方式必须加以充分的注意。从表面看，接地问题似乎很简单，无须付出更多 的精力，但从长远来看，设备投入运用以后，如不产生噪声和干扰，这将对使用 相维修两方面都非常有利，从而节省了人力和物力。 接地设计有两个基本目的： (1)消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压。 (2)避免受磁场和地电位差的影响，即不使其形成地环路。如果接地方式处理得 不好就会形成噪声藕合。 一、接地的要求 1．接地平面应是零电位，它作

2、为系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位 参考点。 2．理想的接地平面应是零电阻的实体，电流在接地平面中流过时应没有压降， 即各接地点之间没有电位差；或者说各接地点间的电压与线路中任何功能部 分的电位比较均可忽略不计。 3．良好的接地平面与布线间将有大的分布电容，而平面本身的引线电感将很小。 理论上它必须能吸收所有信号，而是设备稳定的工作，接地平面应采用低阻 抗材料制成，而且有足够的长度、宽度和厚度，以保证在所有频率上它的两 边之间均呈现低阻抗。用于安装固定式装备的接地平面应由整体铜板或铜网 组成。 4 •理想的接地，要求尽量减低多电路公共接地阻抗上所产生的干扰电压，同时 还要尽量避

3、免形成不必要的地回路。 二、消除公共阻抗干扰 消除公共阻抗干扰的主要途径为减小公共地线的阻抗，主要有以下3种接地方式。 1、单点接地 每一个电路模块都单独接到一个单点地上。多个电路的单点接地又分为串 联、并联两种，如图1、2所示。 信号串联单点接地方式的地回路干扰如图1所示，导线本身有一定的阻抗。 图1中，U为电路A的零电位参考点A的电位；U为电路B的零电位参点B A B 的电位；U为电路C的零电位参考点C点的电位。由图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

4、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与后面电路B和C的电流I和I有关; A B C A 2 3 U与电路A和电路C的电流I、I以及电阻R、R有关；U与电路A、B的 B 13 12 C 电流I、I和电阻R、R有关，它们的地电流相互影响而产生干扰。以上仅考 1 2 1 2 虑地线连接的电阻，如考虑电感L、L、L，则电路A、B、C之间的相互干扰 1 2 3 就更复杂了。 电路 A B C L* XT 甘

5、―(.： 图2：并联单点接地 并联单点接地如图2所示。在这种情况下，三个电路各自的参考电位分别 为U二IZ， U二IZ U二IZ，在不考虑它们之间互感的情况下，各电路的 A 11 B 2 2 C 3 3 地电位只与本电路的地电流、地线阻抗有关，而与其它电路无关，地电流各自独 立、互不干扰，是一种常用的好方法。但这种方式需要很多根接地连线，用起来 比较笨重，在高频时，因为各路地线电感之间的互感将造成噪声的耦合。当频率 升高时，特别是当地线长度为1/4波长的奇数倍时，地线阻抗变得很高，这时地 线就变成了天线，可向外辐射信号。因此，这种接地法适用于数兆赫兹以下的电 路。 2

6、、多点接地 其基本形式有两种：一种是将电路模块通过许多小于0.1入（入为波长）的短 线连接起来;另一种是将子单元通过许多短线与机架或其他低阻抗导体连接。如 圈卜电站2-电路1 图3：用短线连接的多点接地 安全地 设备机盟 图4通过机架构成的多点接地 3、混合接地 即既包含单点接地特性又包含多点接地特性的接地形式。例如系统内的电源 需要单点接地，而高频信号又要求多点接地，这时就可以采用图5、6所示的混 合接地。由于电容的通交隔直作用，对于直流电源，电容开路为单点接地；对于 高频信号，电容短路为多点接地。 / / / / / / / / ////// /

7、/ /// 图5所示的是低频时单点接地，高频时多点接地的接地系统。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，电缆是多点接地的。 电路1 电路2 电路3 图6：混合接地电感型 图6所示的接地系统是低频时多点接地，而高频时单点接地。这种接地系统用的 不如图5所示接地系统那么普遍，主要用在出于安全考虑，多个机箱要接到安全 地上而希望电路单点接地的场合。 4、浮空接地 针对地回路对放大器的影响。如图7所示是通常的接地连接，它有二个接 地点：源地和放大器地，信号线用双芯屏蔽电缆，图7是实际连接，图8和图9 则是它的等效电路

8、和简化图。 图7：基本接地接线图 K, 图8：等效电路 图9：等效电路简化图 图中R为电缆电阻，R为屏蔽层电阻，Z为放大器输入阻抗，R为地电 cs eg in g 阻，E是原电阻与放大器地之间的电位差所造成的共模源（噪声源）。如果 cm R《R +R + Z，则噪声V为： eg s cs in n Z R V = in eg E n Z + R + R R + R cm in cs s cg g 现举例说明，设R = 0.010，E = 1mV,R = 5000,R = 10,Z = 10kQ，R = 10， g cm s cs in cg 则V = 0.

9、95mV。这样大的则V加到放大器的输入端是不可想象的。 n n 在这种情况下就应该考虑浮空接地的办法，如图10所示。在源地处加一电 阻R，将地回路的电流通过R减少，若有: sg sg R 《R +R + Z eg s cs in R ■.-■■■■ R +R sg cg g … Z R 贝卩 V = in cg.E n Z + R + R R cm in cs s sg 若R —g，即完全断开源地，则V = 0。若R = 1M0，则V = 0.95nV。因此 sg n sg n 浮空接地法将减小干扰达120dB。 "疋液嘤 Z签达屯路 图10：浮空接地示意

10、图 通过以上讨论，我们可以得到以上这样的实践启示以减小E。第一，源和 cm 前置放大器应在同一点接地，使E二0 ；第二，用短线或金属板连接框架，使 cm R二0 ；第三，信号源对地浮空，使R “ ；第四，放大器用电池供电或在放 eg eg 大器地处接10-10kQ电阻也可达到浮地效果。 综上所述，地回路信号是系统中连接了一个以上的地所造成的，而浮空接地 则消除了多个地，也就是说，源和信号线的屏蔽层只在信号源一处接地，这就是 减小感应干扰的最好接法，即屏蔽线应避免与一个以上的接地系统相触。 三、接地的基本方法 尽管地线存在干扰，但只要选择良好的接地方法,地线也能成为一种有效控

11、制 干扰的重要手段。如果仅从电路参考点及消除地线干扰的角度出发，地线的接地 方法应注意以下几个问题。 1、尽量减小地线阻抗 减小地线阻抗的一个有效办法是将多根导线并联。例如当两根导线并联时, 其总电感L为： 了 LL -M2 L = —1 2 LL -2M 1 2 式中：L、L分别为两根导线的自感； 12 M 为两根导线间的互感。 如果两导线的自感相等，距离为其直径的 3 倍以上,则总电感只相当于单根导线 电感的一半。由此可见，可以通过截面大和长度短的多条接地线来减小地线阻抗， 但相互间的距离要适宜。对于印制电路板，在尺寸允许的条件下，应尽量加宽地 线宽度。电路的工作频率越

12、高，地线应越宽，地线最好比电源线、信号线宽，所 以通常可把印制电路板上未被用上的地方都用做地线。如果是双层板，还可将地 线设计成接地面或地线网格，多层板则可专门用一层做地线。 2、 正确选择单点、多点或混合接地 当信号工作频率小于 1MHz 时，可以采用单点接地。其中并联单点接地在低 频电路中应用最广，缺点是接地的导线过多。因此，对于同类电路或相互干扰较 少的电路，应尽量采用串联单点接地。在串联单点接地时，如果系统中有噪声电 路，应按：“有噪声f更大噪声f最大噪声f机壳地”的顺序连接；而对于无噪 声电路，应按：“敏感f更敏感f最敏感f机壳地”的顺序连接。 当信号工作频率高于 30MHz

13、时，或单点接地的地线长度超过信号波长的 1/20 时，需采用多点接地。多点接地比较适用于高频电路和脉冲电路，但由于其 会产生许多接地环路易受磁场影响，故不适合敏感电路。另外，多点接地的地线 长度应尽量短，并 要找最近的低阻值接地面接 地。当 信号工作频 率介于 1MHz~30MHz 之间时，或当地线系统需要在低频段和高频段呈现出不同特性时， 例如宽带灵敏电路，则宜采用混合接地。但在混合接地中由于使用了电抗性元件 接地，所以应注意寄生谐振的发生，这种谐振会使干扰增强。 3、 正确选择隔离方法 切断地线环路是消除地环路干扰的有效方法，可根据系统结构分别采用磁耦 合或光耦合。从频率应用范围和隔离

14、效果来说，理想方法是光电耦合。至于浮地 式结构，主要用于极灵敏电路，其优点是抗干扰性能好，不受大地电性能的影响； 缺点是由于电路的地线与大地无导体连接，易产生静电积累而导致静电放电，从 而造成静电击穿或强烈的干扰，所以应在信号地与机壳地之间设置一个高阻值泄 放电阻。 4、尽量将各种地线分开及自成体系 为了减小地线干扰，应尽量避免容易相互干扰的电路共用地线，将强电地与 弱电地、交流地与直流地、数字地与模拟地分开。尤其在数字、模拟混合电路中， 数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，二者的地线必须分开。一般电路的数 字地与模拟地最后只有一点短接,甚至也有不共地的。 对于数字电路，当印制电路板上

15、有很多集成电路、尤其是具有耗电多的元件 时，会因地线粗细的影响，在地线上产生较大的电位差。为了减小地线的电位差 与各级间的地电流耦合，在附近没有强磁场的情况下，可将地线尽量设计成自闭 环路，使每级电路的地电流主要在本地回路中流通，以提高电路的抗干扰能力。 5、 保证接地良好 接地的另一个关键问题是应尽量减小接触电阻并保证接地良好、方便。所以 有时为了提高接地的可靠性，可设置多个接地点。例如印制电路板中的公共地线 就应布置在板的最边缘，这样不但可产生多个接地点，而且也便于与机架相连。 三、结论 在电子电路中,无论是给电路加上电源电压还是在电路之间正确传输信号,都必须 有一个公共电位参考点和设

16、有一条低阻抗回路 ,即必须设置地线。但由于地线存 在阻抗,当电流流过地线时,会在地线上产生电压差,从而形成地线干扰。减小或消 除地线干扰的主要方法是减小地线的阻抗和地线电流。为此 ,可以针对不同的信 号频率及干扰性质,根据系统的结构和功能,采用相应的接地方式,将接地、屏蔽及 滤波等措施结合使用。对于电子设备,除了上述接地外,还有安全接地、雷电地、 屏蔽地等接地技术。为了设备和人身的安全以及电子设备正常可靠工作 ,必须重 视对地线和接地技术的研究。 参考文献 [1] . W. O.亨利.电子系统噪声抑制技术.人民铁道出版社出版.1978.7； [2] ．杨克俊．电磁兼容原理与设计技术．人民邮电出版社．2004.8； [3] ．高晋占．微弱信号检测．清华大学出版社．2004.11； [4] ．曹振平．弱电系统中的地线干扰与接地方法．电子工程师．2004/30； [5] ．吴永忠．韩江洪等．低噪声放大器设计中的屏蔽和接地技术研究．电测与仪器．2001/38；