龚建强西安电子科技大学2012年4月13号 地回路干扰地回路干扰l接地公共阻抗产生的干扰接地公共阻抗产生的干扰 两个不同的接地点之间存在一定的电位差，称为两个不同的接地点之间存在一定的电位差，称为地电压地电压。这是。这是由于两接地点之间总有一定的阻抗，由于两接地点之间总有一定的阻抗，地电流地电流流经接地公共阻抗，流经接地公共阻抗，在其上产生了地电压，此地电压直接加到电路上形成在其上产生了地电压，此地电压直接加到电路上形成共模共模干扰干扰电压。如图电压。如图1所示的接地回路，来自直流电源或者高频信号源所示的接地回路，来自直流电源或者高频信号源的电流经接地面返回。由于接地面的公共阻抗非常小，所以在的电流经接地面返回。由于接地面的公共阻抗非常小，所以在电路的性能设计时往往不予考虑。但是，对电磁骚扰而言，在电路的性能设计时往往不予考虑。但是，对电磁骚扰而言，在回路中必须考虑接地面阻抗的存在。回路中必须考虑接地面阻抗的存在。图图1 公共阻抗引起的骚扰公共阻抗引起的骚扰图图1中干扰回路和被干扰回路之间存在一个公共阻抗中干扰回路和被干扰回路之间存在一个公共阻抗Zi，该公，该公共阻抗上存在的电压为共阻抗上存在的电压为UiZiI1ZiI2。对被干扰回路而言，。对被干扰回路而言， ZiI1是电磁骚扰电压是电磁骚扰电压,而而ZiI2是对负载电压降的分压，由于是对负载电压降的分压，由于RL2|Zi|，因此，一般情况下，因此，一般情况下ZiI2对负载电压降的影响可以忽对负载电压降的影响可以忽略不计，仅考虑略不计，仅考虑I1所引起的电磁骚扰电压对负载的作用。所引起的电磁骚扰电压对负载的作用。若不考虑被干扰回路的电流若不考虑被干扰回路的电流I2在接地公共阻抗在接地公共阻抗Zi上的作用，即上的作用，即令令U20，则电路，则电路1中的电流中的电流I1在接地公共阻抗在接地公共阻抗Zi上产生骚扰电上产生骚扰电压压Ui，此电压降使被干扰回路的负载，此电压降使被干扰回路的负载RL2受到骚扰，其骚扰电受到骚扰，其骚扰电压为压为 地回路干扰地回路干扰可见被干扰回路的负载可见被干扰回路的负载RL2受到的骚扰是电路受到的骚扰是电路1骚扰源骚扰源U1的函数。的函数。实例实例1 1：假设采用电缆槽作为接地面，将两个电路的地线均接到：假设采用电缆槽作为接地面，将两个电路的地线均接到电缆槽上，接地点间的公共地阻抗电缆槽上，接地点间的公共地阻抗Zi0.32 0.32 ；电路；电路1 1发送定发送定时脉冲，电压信号源幅度为时脉冲，电压信号源幅度为5 V5 V，频率为，频率为100 kHz100 kHz； 信号源的内信号源的内阻为阻为100 100 ；负载阻抗为；负载阻抗为10 10 ；被干扰回路的信号源内阻为；被干扰回路的信号源内阻为100 100 ；负载端是内含传感器的显示装置，阻抗为；负载端是内含传感器的显示装置，阻抗为100 100 ；显；显示器的灵敏度为示器的灵敏度为1 mV1 mV。求被干扰回路的负载。求被干扰回路的负载( (显示装置显示装置) )上可能上可能受到的干扰电压值。受到的干扰电压值。【解解】根据公式根据公式(11-1)有有地回路干扰地回路干扰(11-1)可见可见，干扰电压干扰电压Un的值远远大于显示器的灵敏度的值远远大于显示器的灵敏度1 mV，因此显，因此显示器不能正常工作。此例表明，在电子电路的设计和布局中，示器不能正常工作。此例表明，在电子电路的设计和布局中，必须给予必须给予公共地阻抗公共地阻抗足够的重视。足够的重视。l地电流与地电压的形成地电流与地电压的形成电子设备一般采用具有一定面积的金属板作为电子设备一般采用具有一定面积的金属板作为接地面接地面，由于各，由于各种原因在接地面上总有种原因在接地面上总有接地电流接地电流通过，而金属接地板两点之间通过，而金属接地板两点之间总存在一定的总存在一定的阻抗阻抗，因而产生，因而产生接地干扰电压接地干扰电压。可见，。可见，接地电流接地电流的存在是产生接地干扰的的存在是产生接地干扰的根源根源。接地电流产生的原因主要有。接地电流产生的原因主要有(1)导电耦合引起接地电流：用电设备中采用两点接地或多点接导电耦合引起接地电流：用电设备中采用两点接地或多点接地时形成接地回路，接地电流将流过接地回路，如图地时形成接地回路，接地电流将流过接地回路，如图2所示所示 地回路干扰地回路干扰图图2 导电耦合的地电流回路导电耦合的地电流回路(2)电容耦合形成接地电流：由于电路元件、器件、构件与接地电容耦合形成接地电流：由于电路元件、器件、构件与接地面之间存在面之间存在杂散电容杂散电容(分布电容分布电容)，通过杂散电容可以形成接地，通过杂散电容可以形成接地回路，电路中的电流总会有部分电流泄漏到接地回路中，如图回路，电路中的电流总会有部分电流泄漏到接地回路中，如图3所示。所示。(3)电磁耦合形成感应电流：当电路中的线圈靠近设备壳体时，电磁耦合形成感应电流：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，只要位置如何，只要有变化磁通通过壳体有变化磁通通过壳体，就会产生感应电流。，就会产生感应电流。地回路干扰地回路干扰图图3 导电耦合的地电流回路导电耦合的地电流回路(4)金属导体的天线效应形成地电流：辐射电磁场照射到金属导金属导体的天线效应形成地电流：辐射电磁场照射到金属导体时，由于金属导体的接收天线效应，使金属导体上产生感应体时，由于金属导体的接收天线效应，使金属导体上产生感应电动势，如果金属体是箱体结构，那么由于电场作用，在平行电动势，如果金属体是箱体结构，那么由于电场作用，在平行的两个平面上将产生电位差，使箱体有接地电流流过，该金属的两个平面上将产生电位差，使箱体有接地电流流过，该金属箱体同回路连接时，就会形成有接地电流通过的电流回路。箱体同回路连接时，就会形成有接地电流通过的电流回路。当采用传输线连接的设备置于地面附近时，如图当采用传输线连接的设备置于地面附近时，如图4所示，所示，外界电外界电磁场磁场作用于传输线，使传输线上形成作用于传输线，使传输线上形成共模干扰电压源共模干扰电压源，进一步，进一步在公共地阻抗上形成干扰电压；或者，通过传输线与接地面形在公共地阻抗上形成干扰电压；或者，通过传输线与接地面形成的导电回路中的电磁场随着时间变化，也会在传输线上形成成的导电回路中的电磁场随着时间变化，也会在传输线上形成干扰。干扰。 地回路干扰地回路干扰图图4 电磁波在传输线上电磁波在传输线上 形成共模干扰形成共模干扰综上可知，接地公共阻抗、传输线或者金属机壳的天线效应等综上可知，接地公共阻抗、传输线或者金属机壳的天线效应等因素，使地回路中存在共模干扰电压，该因素，使地回路中存在共模干扰电压，该共模干扰电压共模干扰电压通过通过地地回路回路作用到作用到受害电路的输入端受害电路的输入端，形成，形成地回路干扰地回路干扰。 地回路干扰地回路干扰 电路的接地点选择电路的接地点选择l放大器与信号源的接地点选择放大器与信号源的接地点选择 图图5表示一个信号源与放大器连接的电路。如果信号源在表示一个信号源与放大器连接的电路。如果信号源在A点点接地，放大器在接地，放大器在B点接地，则两接地点点接地，则两接地点A、B之间存在地电位差之间存在地电位差UG。RC1和和RC2为信号源与放大器连接导线的电阻。由图可见，为信号源与放大器连接导线的电阻。由图可见，此时加至放大器输入端的电压为此时加至放大器输入端的电压为UNUSUG。图图5 放大器与信号源接地点的选择放大器与信号源接地点的选择为了剔除地电压的干扰，为了剔除地电压的干扰，应采用一点接地。如果采应采用一点接地。如果采用用A点接地，而点接地，而B点不接地，点不接地，即放大器所用的电源不接即放大器所用的电源不接地，此时需要使用差分放地，此时需要使用差分放大器。通常比较方便的一大器。通常比较方便的一点接地方式是选择点接地方式是选择B点接点接地，而地，而A点不接地。点不接地。图图5中，导线电阻中，导线电阻RC1和和RC2一般很小，通常在一般很小，通常在1以下，取以下，取RC1 RC2 1。两接地点。两接地点A、B之间存在的地电阻之间存在的地电阻RG更小，比如更小，比如取取RG。信号源的内阻。信号源的内阻RS一般为一般为500。设放大器的输入阻抗。设放大器的输入阻抗为为10k，图，图5所示电路的等效电路可用图所示电路的等效电路可用图6来表示。因为来表示。因为RC2RC2RG，所以式，所以式(11-3)中的干扰电压值将大幅度降低，即信号源与地隔离且放中的干扰电压值将大幅度降低，即信号源与地隔离且放大器与地相连时，放大器输入端的干扰电压小得多。理想的隔大器与地相连时，放大器输入端的干扰电压小得多。理想的隔离阻抗为无穷大，此时放大器输入端的干扰电压值为零。如果离阻抗为无穷大，此时放大器输入端的干扰电压值为零。如果ZSG1 M，根据式，根据式(11-3)计算得，计算得，UN。综上可见，信号源与放大器连接构成电路时，综上可见，信号源与放大器连接构成电路时，采用信号源与地采用信号源与地隔离的一点接地方式，可抑制接地干扰电压对放大器输入端产隔离的一点接地方式，可抑制接地干扰电压对放大器输入端产生的干扰。生的干扰。l多级电路接地点的选择多级电路接地点的选择一般来说，电子设备中的一般来说，电子设备中的低电平级电路是最易受到干扰的电路低电平级电路是最易受到干扰的电路，因此，接地点的选择也应使低电平级电路受干扰最小。因此，接地点的选择也应使低电平级电路受干扰最小。电路的接地点选择电路的接地点选择(11-3)比较式图比较式图7所示的所示的A、B、C三级电路，其电平关系为三级电路，其电平关系为ABC。图图7(a)为接地点为接地点o选择在靠近高电平级电路的选择在靠近高电平级电路的c端；图端；图7(b)为接为接地点地点o选择在靠近低电平级电路的选择在靠近低电平级电路的a端。端。多级电路接地点选择在靠近高电平级电路端多级电路接地点选择在靠近高电平级电路端(图图7(a)时，低电时，低电平级电路端平级电路端a点的电位为点的电位为 Uao(RabjLab)Ia(RbcjLbc)(IaIb) (RcojLco)(IaIbIc)(11-4)电路的接地点选择电路的接地点选择图图7 多级电路接地点的选择多级电路接地点的选择式中，式中，Rab、Rbc、Rco和和Lab、Lbc、Lco分别表示分别表示ab、bc、co各段各段接地线的电阻及电感。接地线的电阻及电感。接地点选择在靠近低电平级电路输入端时，低电平级电路接地点选择在靠近低电平级电路输入端时，低电平级电路a点点的电位为的电位为 Uao(RaojLao)(IaIbIc) (11-5) 比较式比较式(11-4)和式和式(11-5)知知|Uao|Uao|。这说明接地点选择在。这说明接地点选择在靠近低电平级电路的输入端时，电路受地电位差的干扰最小，靠近低电平级电路的输入端时，电路受地电位差的干扰最小，因为这时因为这时a点电位只受点电位只受ao段地线阻抗的影响。段地线阻抗的影响。因此多级电路的接地点应选择在低电平级电路的输入端。因此多级电路的接地点应选择在低电平级电路的输入端。l谐振回路接地点的选择谐振回路接地点的选择并联谐振回路内部的电流是其外部电流的并联谐振回路内部的电流是其外部电流的Q倍倍(Q为谐振回路的为谐振回路的品质因数品质因数)，所以谐振回路内部的电流有时是非常大的，如果，所以谐振回路内部的电流有时是非常大的，如果把谐振回路的电感把谐振回路的电感L和电容和电容C分别接地，如图分别接地，如图8所示，在接地回所示，在接地回路中将有高频大电流通过，会产生很强的地回路干扰。路中将有高频大电流通过，会产生很强的地回路干扰。电路的接地点选择电路的接地点选择如果将谐振回路的电感如果将谐振回路的电感L和电容和电容C取一点接地，使谐振回路本取一点接地，使谐振回路本身形成一个闭合回路，如图身形成一个闭合回路，如图9所示，此时高频大电流将不通过所示，此时高频大电流将不通过接地面，从而有效地抑制了地回路干扰。因此，接地面，从而有效地抑制了地回路干扰。因此，谐振回路必须谐振回路必须单点接地单点接地。电路的接地点选择电路的接地点选择图图8 谐振回路的错误接地谐振回路的错误接地图图9 谐振回路的正确接地谐振回路的正确接地11.3 地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施l隔离变压器隔离变压器隔离变压器是通过阻隔地回路的形成来抑制地回路干扰的，如隔离变压器是通过阻隔地回路的形成来抑制地回路干扰的，如图图10所示，其等效电路如图所示，其等效电路如图11所示，分析方法基于所示，分析方法基于线性电路的线性电路的叠加原理叠加原理。图图10 采用隔离变压器阻隔地回路采用隔离变压器阻隔地回路图图11 隔离变压器阻隔地回路的等效电路隔离变压器阻隔地回路的等效电路(11-6)由由(11-6)有有可见当可见当CRL1时，时，|UN/UG|1。所以在定频时提高隔离变压。所以在定频时提高隔离变压器的抗干扰能力，可通过减小变压器绕组间的分布电容器的抗干扰能力，可通过减小变压器绕组间的分布电容C实现。实现。如在变压器之间加一电屏蔽如在变压器之间加一电屏蔽(图图11)就可以有效地减小绕组之间就可以有效地减小绕组之间的分布电容的分布电容C，从而有效阻隔了地回路的干扰。为防止，从而有效阻隔了地回路的干扰。为防止UG通过通过电屏蔽层与绕组之间的分布电容耦合加至负载电屏蔽层与绕组之间的分布电容耦合加至负载RL，造成干扰，造成干扰，电屏蔽层应接至负载电屏蔽层应接至负载RL的接地端。的接地端。须指出，采用隔离变压器须指出，采用隔离变压器不能传输直流信号，也不适于传输频不能传输直流信号，也不适于传输频率很低的信号率很低的信号。但是，隔离变压器对地线中较低频率的干扰具。但是，隔离变压器对地线中较低频率的干扰具有很好的抑制能力。同时，电路中的信号电流只在变压器绕组有很好的抑制能力。同时，电路中的信号电流只在变压器绕组连线中流过，因此可避免对其它电路的干扰。连线中流过，因此可避免对其它电路的干扰。地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施(11-7)l纵向扼流圈纵向扼流圈因为隔离变压器使直流和低频信号无法通过，而图因为隔离变压器使直流和低频信号无法通过，而图12所示的纵所示的纵向扼流圈向扼流圈(Longitudinal Choke)(或称为中和变压器或称为中和变压器(Neutra-lizing Transformer)，可以通过直流或低频信号，对地回路共，可以通过直流或低频信号，对地回路共模干扰电流呈现出相当高的阻抗，使其受到抑制。模干扰电流呈现出相当高的阻抗，使其受到抑制。 地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施图图12 采用纵向扼流圈阻隔地回路采用纵向扼流圈阻隔地回路纵向扼流圈是由纵向扼流圈是由两个绕向相同、匝数相同的绕组两个绕向相同、匝数相同的绕组所构成，一般所构成，一般常用双线并绕而成。信号电流在两个绕组流过时方向相反，称常用双线并绕而成。信号电流在两个绕组流过时方向相反，称为为异模电流异模电流，产生的磁场相互抵消，呈现低阻抗，即，产生的磁场相互抵消，呈现低阻抗，即扼流圈对扼流圈对信号电流不起扼流作用信号电流不起扼流作用，并且不切断直流回路并且不切断直流回路。地线中的干扰。地线中的干扰电流流经两个绕组的方向相同，称为电流流经两个绕组的方向相同，称为共模电流共模电流，产生的磁场同，产生的磁场同向相加。扼流圈对地回路干扰电流呈现高阻抗，起到抑制地回向相加。扼流圈对地回路干扰电流呈现高阻抗，起到抑制地回路干扰的作用。路干扰的作用。信号源电压信号源电压US通过纵向扼流圈并经连接线电阻通过纵向扼流圈并经连接线电阻RC1、RC2接至负接至负载载RL。纵向扼流圈可用电感。纵向扼流圈可用电感L1、L2及互感及互感M表示。若扼流圈的表示。若扼流圈的两个绕阻完全相同，且在同一个铁芯上构成紧耦合，则有两个绕阻完全相同，且在同一个铁芯上构成紧耦合，则有L1L2M。UG是地电位差或地线环路经磁耦合形成的地回路电压。是地电位差或地线环路经磁耦合形成的地回路电压。首先分析纵向扼流圈对信号电压首先分析纵向扼流圈对信号电压US的影响，此时可将的影响，此时可将UG短路。短路。因因RC1与与RL串联，且串联，且RC1 RL,故故RC1可忽略不计，图可忽略不计，图12(b)等效等效电路可简化为图电路可简化为图13的形式。的形式。地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施由流经由流经RC2、L2入地的下回路可得入地的下回路可得 (ISIG)(RC2jL2)ISjM0 (11-8)用用ML2L代入上式并经整理得代入上式并经整理得地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施图图13 纵向扼流圈对信号电压纵向扼流圈对信号电压US的影响的影响(11-9)或或式中式中c称为扼流圈的截止角频率，称为扼流圈的截止角频率，当当c时，时，|IG|0.707|IS|；当；当 c时，只有小部分信号流经时，只有小部分信号流经地线。一般认为，当地线。一般认为，当5 c时，时，IG0，这时绝大部分信号电流，这时绝大部分信号电流经经RC2、L2入地。可进一步列出上回路方程：入地。可进一步列出上回路方程：因因ML1L2 ，可得信号电流，可得信号电流地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施(11-10)(11-11)(11-12)(11-13)因为因为RC2L，且当，且当5c时，时，IG0，所以，式，所以，式(11-13)可简化可简化为为因此，当扼流圈的电感足够大，使信号频率因此，当扼流圈的电感足够大，使信号频率5c(cRC2/L)时，可认为加入扼流圈对信号传输没有影响。时，可认为加入扼流圈对信号传输没有影响。而分析纵向扼流圈对地回路电压而分析纵向扼流圈对地回路电压UG的抑制作用，根据线性电路的抑制作用，根据线性电路的叠加原理，此时可将信号源的叠加原理，此时可将信号源US短路，等效电路如图短路，等效电路如图14所示。所示。地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施(11-14)图图14 纵向扼流圈对地回路电压纵向扼流圈对地回路电压UG的影响的影响未加扼流圈时，地回路干扰电压未加扼流圈时，地回路干扰电压UG全部加到全部加到RL上。加扼流圈后，上。加扼流圈后，流经扼流圈两个绕组的干扰电流分别为流经扼流圈两个绕组的干扰电流分别为I1、I2，在负载，在负载RL上的干上的干扰电压扰电压UNI1RL。由。由I1回路得回路得 UGjL1I1jMI2I1RL由由I2回路得回路得 UGjL2I2jMI1I2RC2联立求解联立求解(11-15)和和(11-16)可得可得由由UNI1RL，考虑到，考虑到RC2RG时，由等效电路图时，由等效电路图17(b)可得可得UG在放大器输入端引起的干扰电压为在放大器输入端引起的干扰电压为地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施图图17 差分放大器差分放大器(11-23)由由(11-23)知若信号源内阻知若信号源内阻RS相对很小，且相对很小，且RL1L2，RC1RC2，即，即阻抗平衡阻抗平衡，则，则UN0。当放大器输入阻抗。当放大器输入阻抗RL1与与RL2增加时，增加时，可使可使UN减小。例如在图减小。例如在图17中，设中，设UG100 mV，RG，RS500，RC1RC21。若。若RL1RL210 k，由，由(11-23)可算出可算出UN4.76 mV。如果。如果RL1与与L2为为100 k，则由式，则由式(11-23)得得UN0.5 mV，此时，此时，UN几乎减少几乎减少20 dB。图图18给出了差分电路可减小给出了差分电路可减小UN的改进电路。图中接入电阻的改进电路。图中接入电阻R用用以提高放大器的输入阻抗，以减少地干扰电压以提高放大器的输入阻抗，以减少地干扰电压UG的影响，但的影响，但没有增加信号没有增加信号US的输入阻抗。的输入阻抗。 地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施图图18 差分放大器的改进电路差分放大器的改进电路设设RAB为图中为图中A、B两点间的电阻，两点间的电阻，RG为接地电阻，一般有为接地电阻，一般有RG(RRAB)，此时，此时UG在放大器输入端引起的噪声电压为在放大器输入端引起的噪声电压为式中，式中，UAB为为UG在图中在图中A、B两点产生的电压：两点产生的电压：由于由于UABUG，因此，由，因此，由(11-25)计算所得到的计算所得到的UN将小于由式将小于由式(11-24)计算所得到的计算所得到的UN。而对信号。而对信号US而言，并没有增加输入而言，并没有增加输入阻抗。阻抗。 地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施(11-24)(11-25)