第六章接地技術及其應用6.1接地及其分類6.2安全接地6.3導體阻抗的頻率特性6.4信號接地6.5屏蔽體接地6.6地回路干擾6.7電路的接地點選擇6.8地回路干擾的抑制措施6.1.1接地的概念

所謂“地”(Ground)，一般定義為電路或系統的零電位參考點，直流電壓的零電位點或者零電位面，它不一定為實際的大地(建筑地面)，可以是設備的外殼或其它金屬板或金屬線。

接地原意指與真正的大地(Earth)連接以提供雷擊放電的通路(例如，避雷針一端埋入大地)，后來成為為用電設備提供漏電保護(提供放電通路)的技術措施。6.1接地及其分類現在接地的含義已經延伸，“接地”(Grounding)一般指為了使電路、設備或系統與“地”之間建立低阻抗通路，而將電路、設備或系統連接到一個作為參考電位點或參考電位面的良導體的技術行為，其中一點通常是系統的一個電氣或電子元(組)件，而另一點則是稱之為“地”的參考點。例如，當所說的系統組件是設備中的一個電路時，則參考點就是設備的外殼或接地平面。6.1.2接地的要求

(1)理想的接地應使流經地線的各個電路、設備的電流互不影響，即不使其形成地電流環路,避免使電路、設備受磁場和地電位差的影響。

(2)理想的接地導體(導線或導電平面)應是零阻抗的實體，流過接地導體的任何電流都不應該產生電壓降，即各接地點之間沒有電位差，或者說各接地點間的電壓與電路中任何功能部分的電位比較均可忽略不計。

(3)接地平面應是零電位，它作為系統中各電路任何位置所有電信號的公共電位參考點。

(4)良好的接地平面與布線間將有大的分布電容，而接地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，使設備穩定地工作。接地平面應采用低阻抗材料制成，并且有足夠的長度、寬度和厚度，以保證在所有頻率上它的兩邊之間均呈現低阻抗。用于安裝固定式設備的接地平面,應由整塊銅板或者銅網組成。

6.1.3接地的分類

通常，電路、用電設備按其作用可分類為安全接地(SafetyGrounds)和信號接地(SignalGrounds)。其中安全接地又有設備安全接地、接零保護接地和防雷接地，信號接地又分類為單點接地、多點接地、混合接地和懸浮接地，見表6-1。

表6-1接地的分類6.2.1設備安全接地

設備安全接地是安全接地的一種。為了人、機安全，任何高壓電氣設備、電子設備的機殼、底座均需要安全接地，以避免高電壓直接接觸設備外殼，或者避免由于設備內部絕緣損壞造成漏電打火使機殼帶電,否則，人體觸及機殼就會觸電，如圖6-1所示。

一般用電設備在使用中，因絕緣老化、受潮等原因導致帶電導線或者導電部件與機殼之間漏電，或者因設備超負荷引起嚴重發熱，導致燒損絕緣材料造成漏電，或者因環境氣體污染、灰塵沉積導致漏電和電弧擊穿打火。6.2安全接地

機殼通過雜散阻抗而帶電，或者因絕緣擊穿而帶電，如圖6-1所示。設U1為用電設備中電路的電壓，Z1為電路與機殼(Chassis)之間的雜散阻抗(StrayImpedances)，Z2為機殼與地之間的雜散阻抗，U2為機殼與地之間的電壓。機殼對地的電壓U2是由機殼對地的阻抗Z2分壓造成的，即

(6-1)當機殼與地絕緣(Z2→∞)，即Z2>>Z1時，則U2＝U1。如果U2足夠大(例如超過36V)時，人體觸及機殼就可能發生危險。為了人身安全，機殼應該接地，使Z2→0，從而使U2＝0。

圖6-1設備機殼接地的作用如果人體觸及機殼，相當于機殼與大地之間連接了一個人體電阻Zb。人體電阻變化范圍很大，一般地，人體的皮膚處于干燥潔凈和無破損情況時，人體電阻可高達40～100kΩ；人體處于出汗、潮濕狀態時，人體電阻降至1000Ω左右。但是，流經人體的安全電流值，對于交流電流為15～20mA，對于直流電流為50mA。當流經人體的電流高達100mA時，就可能導致死亡發生。因此，我們國家規定的人體安全電壓為36V和12V。一般家用電器的安全電壓為36V，以保證觸電時流經人體的電流值小于40mA。為了保證人體安全，應該將機殼與接地體連接，即應該將機殼接地。這樣，當人體觸及帶電機殼時，人體電阻與接地導線的阻抗并聯，人體電阻遠大于接地導線的阻抗，大部分漏電電流經接地導線旁路流入大地。通常規定接地電阻值為5～10Ω，所以，流經人體的電流值將減小為原先的1/200～1/100。

6.2.2接零保護接地

用電設備通常采用220V(單相三線制)或者380V(二相四線制)電源提供電力，如圖6-2所示。設備的金屬外殼除了正常接地之外，還應與電網零線相連接，稱之為接零保護。

當用電設備外殼接地后，一旦發生人體與機殼接觸時，人體處于與接地電阻并聯的位置，因接地電阻遠小于人體電阻，使漏電電流絕大部分從接地線中流過。但是，接地電阻與電網中性點接地的接觸電阻相比，在數量上相當，故接地線上的電壓降幾乎為相電壓220V的一半，這一電壓超過了人體能夠承受的安全電壓，使接觸設備金屬外殼的人體上流過的電流超過安全限度，從而導致觸電危險。因此，即使外殼良好接地也不一定能夠保證安全，為此，應該把金屬設備外殼接到供電電網的零線(中線)上，才能保證安全用電，如圖6-2所示。這就是所謂的“接零保護”原理。

室內交流配線可采用如圖6-2(a)所示的接法。圖中“火線”上接有保險絲，負載電流經“火線”至負載再經“零線”返回。還有一根線是安全“地線”。該地線與設備機殼相連并與“零線”連接于一點。因而，地線上平時沒有電流，所以沒有電壓降，與之相連的機殼都是地電位。只有發生故障，即絕緣被擊穿時，安全地線上才會有電流。但該電流是瞬時的，因為保險絲或電流斷路器在發生故障時會立即將電路切斷。

圖6-2接零保護6.2.3防雷接地

防雷接地是將建筑物等設施和用電設備的外殼與大地連接，將雷電電流引入大地，從而保護設施、設備和人身的安全，使之避免雷擊，同時消除雷擊電流竄入信號接地系統，以避免影響用電設備的正常工作。防雷接地是一項專門技術，詳細內容請查閱其它技術文獻。6.2.4安全接地的有效性

安全接地的質量好壞，關系到人身安全和設施安全，因此，必須檢驗安全接地的有效性。

接地的目的是為了使設備與大地有一條低阻抗的電流通路，因此，接地是否有效取決于接地電阻。接地電阻的阻值越小越好。接地電阻與接地裝置、接地土壤狀況以及環境條件等因素有關。一般地，接地電阻應小于10Ω。針對不同的接地目的，對接地電阻有不同的選擇。設備安全接地的接地電阻一般應小于10Ω；1000V以上的電力線路要求小于0.5Ω的接地電阻；防雷接地一般要求接地電阻為10～25Ω；建筑物單獨裝設的避雷針的接地電阻要求小于25Ω。接地電阻屬于分布電阻。通常，接地電阻由接地導線的電阻、接地體的電阻和大地的雜散電阻三部分組成,其中大地雜散電阻起主要作用。因此，接地電阻的大小不僅與接地體的大小、形狀、材料等特性有關，而且與接地體附近的土壤特性有很大關系。土壤的成分、土壤顆粒的大小和密度、地下水中是否含有被溶解的鹽類等因素也影響接地電阻的阻值。除此之外，接地電阻還受環境條件的影響，天氣的潮濕程度、季節變化和溫度高低變化都影響接地電阻的阻值。因此，接地電阻的阻值并不是固定不變的，需要定期測定監視。當出現接地電阻阻值不符合接地要求時，可以采用保持水分、化學鹽化和化學凝膠三種方法來有效地降低土壤的電阻率，以減小接地電阻。

接地裝置也稱為接地體，常見的有接地樁、接地網和地下水管等。通常把接地體分類為自然接地體和人工接地體兩大類型。

埋設在地下的水管、輸送非燃性氣體和液體的金屬管道、建筑物埋設在地下或水泥中的金屬構件、電纜的金屬外皮等屬于自然接地體。一般說來，自然接地體與大地的接觸面積比較大，長度也較大，因此其雜散電阻較小，往往比專門設計的接地體的性能更好。同時，自然接地體與用電設備在大多數情況下已經連接成整體，大部分故障漏電電流能在接地體的開始端向大地擴散，所以很安全。自然接地體還在地下縱橫交叉，從而降低接觸電壓及跨步電壓，所以1000V以下的系統，一般都采用自然接地體。

對于大電流接地系統，要求接地電阻阻值較低。埋設于地下的自然接地體因其表面腐蝕等使其接地電阻難以降低，因此需要采用人工接地體。必須指出，在弱信號、敏感度高的測控系統、計算機系統、貴重精密儀器系統中不能濫用自然接地體。例如水管，一般地水管與建筑物的金屬構件及大地并沒有良好的接觸，其接地電阻阻值比較大，因此不宜作為接地體。人工接地體是人工埋入地下的金屬導體，常見的形式有垂直埋入地下的鋼管、角鋼和水平放置的圓鋼、扁鋼，還有環形、圓板形和方板形的金屬導體。

電磁兼容工程中，接地、搭接是抑制電磁干擾的有效措施。不論地線還是搭接條，它們的直流電阻、交流電阻和感抗的不同，反映了導體阻抗的頻率特性。在用電設備、系統數字化的信息時代，導線傳輸高頻電流產生電磁騷擾，可能形成電磁干擾，影響設備、系統的電磁兼容性。因此，分析導線阻抗的頻率特性，有益于設計、實施接地或搭接。圖6-3為研究導體射頻阻抗的導體幾何形狀。

6.3導體阻抗的頻率特性

圖6-3導體幾何形狀6.3.1直流電阻與交流電阻關系的廣義描述

眾所周知，導線的直流電阻為

(6-2)

式中：ρ為導體的電阻率(Ω/m)；l為導體的長度(m)；S為導體橫截面面積(m2)。

圓導線和扁平導體條的直流電阻分別為

(6-3)和

(6-4)

式中：a為圓導線的半徑(m)；w、t分別為扁平導體條的寬度和厚度(m)。

由于集膚效應(SkinEffect)的影響，導體的高頻交流電阻將遠大于直流電阻。圓導線的高頻(a>>δ)交流電阻為

(6-5)

式中， ，為集膚深度(SkinDepth)。

圖6-4相對電阻與頻率的關系扁平導體條的高頻交流電阻為

(6-6)

式中，K是寬度與厚度之比的函數。仔細分析式(6-5)和式(6-6)，不難發現，實心單導體的直流電阻與交流電阻的關系可以廣義描述為

(6-7)上式表明，高頻交流電阻與工作頻率的平方根成正比。圖6-4表示半徑為0.6mm、長為1m的銅導線的高頻交流電阻與直流電阻比對頻率的依賴關系。經計算知，其直流電阻為15.25mΩ；頻率為1MHz時，高頻交流電阻為115.34Ω。6.3.2導體電感

圓導線的直流內電感和高頻交流內電感分別為

(6-8)

和

(6-9)

圓導線的外電感(l>>a,δ<<a)為

(6-10)仍然以半徑為0.6mm，長為1m，工作頻率為1MHz的銅導線為例，計算獲得其直流內電感為50nH；高頻交流內電感為11nH，對應感抗為69.2mΩ；外電感為1.4mH,對應感抗為8.94Ω。可見高頻外電感遠大于內電感，工程計算時可以忽略內電感。通常，外電感與導線的長度成正比。

圖6-3所示的扁平導體條的外電感可以表示為

(6-11)

依據式(6-11)繪制的曲線如圖6-5和圖6-6所示，依次表明寬度、厚度增加或減少對電感的貢獻。扁平導體條的寬度增加，電感減少；厚度增加，電感也減少。但是，寬度增加比厚度增加產生的電感減少量要大得多。

圖6-5扁平導體條的寬度與電感

圖6-6扁平導體條的厚度與電感計算表明，工作頻率為1MHz的導體條的直流電阻為0.575Ω，電感為5.74μΗ，而感抗達36.1Ω，遠大于其直流電阻。

導體條橫截面的幾何形狀也是影響其電感量大小的重要因素。圖6-7表明，橫截面相同的長方形的電感比正方形的電感小，寬度與厚度的比值越大，電感越小。

圖6-7橫截面的幾何形狀與電感的關系6.3.3搭接條的選擇

有關文獻指出，搭接條尺寸的選擇，依據經驗法則，其長度與寬度比應等于或小于5∶1；也有文獻指出，搭接條尺寸的選擇，其長度與寬度比應等于或小于3∶1。電磁兼容工程中，如何進行搭接條尺寸的選擇，選擇的原則和依據是什么，這些都是必須解決的問題。從基本概念考慮，應盡可能降低搭接條的射頻阻抗。為此目的，必須盡量降低搭接條的電感。我們通過選擇搭接條的不同幾何尺寸，采用表達式(6-11)獲得的計算結果如圖6-8所示。從圖6-8的計算結果可以看出，僅考慮降低搭接條的電感，長度與寬度比越小越好。所以，相關文獻提供的兩種選擇都是可取的。

圖6-8搭接條長度與寬度比對電感量的影響

這一節我們以接地線、搭接條的常用形式——圓橫截面導線、矩形橫截面扁平導體條為對象，詳細綜述了導體阻抗的頻率特性，提出了導體直流電阻與交流電阻關系的廣義描述；通過計算表明，導體條橫截面的幾何形狀也是影響其電感量大小的重要因素，搭接條尺寸的選擇應遵循減少射頻阻抗的原則；導體阻抗的頻率特性是決定接地、搭接成功或失敗的關鍵因素。

信號接地是為設備、系統內部各種電路的信號電壓提供一個零電位的公共參考點或面。對于電子設備，將其底座或者外殼接地，除了提供安全接地外，更重要的是為了在電子設備內部提供一個作為電位基準的導體，以保證設備工作穩定，抑制電磁騷擾。這個導體稱為接地面。設備的底座或者外殼往往采用接地導線連接至大地，接地面的電位一旦出現不穩定，就會導致電子設備工作的不穩定。

6.4信號接地

信號接地的連接對象是種類繁多的電路，因此信號地線的接地方式也是多種多樣的。復雜系統中，既有高頻信號，又有低頻信號；既有強電電路，又有弱電電路；既有模擬電路，又有數字電路；既有頻繁開關動作的設備，又有敏感度極高的弱信號裝置。為了滿足復雜的用電系統的電磁兼容性要求，必須采用分門別類的方法將不同類型的信號電路分成若干類別，以同類電路構成接地系統。通常將所有電路按信號特性分成四類，分別接地，形成四個獨立的接地系統，每個接地系統可能采用不同的接地方式。下面敘述接地系統的類別及其含義。

第一類接地系統是敏感信號和小信號電路的接地系統。它包括低電平電路、小信號檢測電路、傳感器輸入電路、前級放大電路、混頻器電路等的接地。由于這些電路工作電平低，特別容易受到電磁騷擾而出現電路失效或電路性能降級現象,因此，小信號電路的接地導線應避免混雜于其它電路中。

第二類是非敏感信號或者大信號電路的接地系統。它包括高電平電路、末級放大器電路、大功率電路等的接地。這些電路中的工作電流都比較大，從而其接地導線中的電流也比較大，容易通過接地導線的耦合作用對小信號電路造成干擾，使小信號電路有可能不能正常工作,因此，必須將其接地導線與小信號接地導線分開設置。

第三類是騷擾源器件、設備的接地系統。它包括電動機、繼電器、開關等產生強電磁騷擾的器件或者設備。這類器件或者設備在正常工作時，會產生沖擊電流、火花等強電磁騷擾。這樣的騷擾頻譜豐富，瞬時電平高，往往使電子電路受到嚴重的電磁干擾，因此，除了采用屏蔽技術抑制這樣的騷擾外，還必須將其接地導線與其它電子電路的接地導線分開設置。

第四類是金屬構件的接地系統。它包括機殼、設備底座、系統金屬構架等的接地。其作用是保證人身安全和設備工作穩定。

工程實踐中，也采用模擬信號地和數字信號地分別設置，直流電源地和交流電源地分別設置，以抑制電磁騷擾。電路、設備的接地方式有單點接地、多點接地、混合接地和懸浮接地，詳細分析如下。

6.4.1單點接地

單點接地只有一個接地點，所有電路、設備的地線都必須連接到這一接地點上，以該點作為電路、設備的零電位參考點(面)。

1.共用地線串聯一點接地

圖6-9為一共用地線串聯一點接地的示例。其中，電路1、電路2、電路3注入地線(接地導線)的電流分別依次為I1、I2、I3；R1為A點至接地點之間的一段地線(AG段)之電阻；AG段地線是電路1、電路2和電路3的共用地線；R2為BA段的地線電阻；BA段地線是電路2和電路3的共用地線；R3為CB段的地線電阻；G點為共用地線的接地點。共用地線上A點的電位：

UA＝(I1＋I2＋I3)R1

(6-12)共用地線上B點的電位：

UB＝UA＋(I2＋I3)R2＝(I1＋I2＋I3)R1＋(I2＋I3)R2

(6-13)

共用地線上C點的電位：

UC＝UB＋(I3R3)＝(I1＋I2＋I3)R1＋(I2＋I3)R2＋I3R3

(6-14)通常地線的直流電阻不為零，特別是在高頻情況下，地線的交流阻抗比其直流電阻大，因此共用地線上A、B、C點的電位不為零，并且各點電位受到所有電路注入地線電流的影響。從抑制干擾的角度考慮，這種接地方式是最不適用的。但是這種接地方式的結構比較簡單，各個電路的接地引線比較短，其電阻相對小，所以，這種接地方式常用于設備機柜中的接地。如果各個電路的接地電平差別不大，也可以采用這種接地方式。反之，高電平電路會干擾低電平電路。

圖6-9共用地線串聯一點接地采用共用地線串聯一點接地時必須注意，要把具有最低接地電平的電路放置在最靠近接地點G的地方，即圖6-9中的A點，以便B點和C點的接地電位受其影響最小。

2.獨立地線并聯一點接地

圖6-10是獨立地線并聯一點接地的等效電路圖，各個電路分別用一條地線連接到接地點G。I1、I2、I3依次表示電路1、電路2、電路3注入地線(接地導線)的電流，R1、R2、R3依次表示電路1、電路2、電路3的接地導線的電阻。顯然，各電路的地電位分別為

(6-15)

圖6-10獨立地線并聯一點接地由上可見，獨立地線并聯一點接地方式的優點是，各電路的地電位只與本電路的地電流及地線阻抗有關，不受其它電路的影響。但是，獨立地線并聯一點接地方式存在以下缺點。第一，因各個電路分別采用獨立地線接地，需要多根地線，勢必會增加地線長度，從而增加了地線阻抗。使用比較麻煩，結構笨重。第二，這種接地方式會造成各地線相互間的耦合，且隨著頻率增加，地線阻抗、地線間的電感及電容耦合都會增大。第三，這種接地方式不適用于高頻。如果系統的工作頻率很高，以致工作波長λ＝c/f縮小到可與系統的接地平面的尺寸或接地引線的長度比擬時，就不能再用這種接地方式了。因為，當地線的長度接近于λ/4時，它就像一根終端短路的傳輸線。由分布參數理論可知，終端短路λ/4線的輸入阻抗為無窮大，即相當于開路，此時地線不僅起不到接地作用，而且將有很強的天線效應向外輻射干擾信號。所以，一般要求地線長度不應超過信號波長的1/20。顯然，這種接地方式只適用于低頻。

6.4.2多點接地

多點接地是指某一個系統中各個需要接地的電路、設備都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地線的長度最短，如圖6-11所示。這里說的接地平面，可以是設備底座，也可以是貫通整個系統的接地線，在比較大的系統中還可以是設備的結構框架等。如果可能，還可以用一個大型導電物體作為整個系統的公共地。

圖6-11多點接地圖6-11中，各電路的地線分別連接至最近的低阻抗公共地。設每個電路的地線電阻及電感分別為R１、Ｒ2、R3和L1、L2、Ｌ3，每個電路的地線電流分別為I1、I2、I3，則各電路對地的電位差為

(6-16)為了降低電路的地電位，每個電路的地線應盡可能縮短，以降低地線阻抗。但在高頻時，由于集膚效應，高頻電流只流經導體表面，即使加大導體厚度也不能降低阻抗。為了在高頻時降低地線阻抗，通常要將地線和公共地鍍銀。在導體截面積相同的情況下，為了減小地線阻抗，常用矩形截面導體制成接地導體帶。

多點接地方式的優點是地線較短，適用于高頻情況，其缺點是形成了各種地線回路，造成地回環路干擾，這對設備內同時使用的具有較低頻率的電路會產生不良影響。

綜上所述，單點接地適用于低頻，多點接地適用于高頻。一般來說，頻率在1MHz以下可采用一點接地方式；頻率高于10MHz應采用多點接地方式；頻率在1～10MHz之間，可以采用混合接地(在電性能上實現單點接地、多點接地混合使用)。如用一點接地，其地線長度不得超過0.05λ，否則應采用多點接地。當然選擇也不是絕對的，還要看通過的接地電流的大小，以及允許在每一接地線上產生多大的電壓降。如果一個電路對該電壓降很敏感，則接地線長度應不大于0.05λ或更小。如果電路只是一般的敏感，則接地線可以長些(如0.15λ)。此外，由接地引線“看進去”的阻抗是該引線相對于地平面的特性阻抗Z0的函數。而Z０的大小，又和引線與接地平面的相對位置有關。一般，接地引線與接地平面平行時，其特性阻抗較小；當兩者相互垂直時，則Z0較大,而Z0較大，則“看進去”的阻抗也較大。因此，當長度一定時，垂直于接地平面的接地引線其阻抗將大于平行于接地平面時的阻抗，所以，要求垂直接地面的接地引線的長度應更短一些。

6.4.3混合接地

如果電路的工作頻帶很寬，在低頻情況需采用單點接地，而在高頻時又需采用多點接地，此時，可以采用混合接地方法。所謂混合接地，就是將那些只需高頻接地的電路、設備使用串聯電容器把它們和接地平面連接起來,見圖6-12所示。

由圖6-12可見，在低頻時，電容的阻抗較大，故電路為單點接地方式，但在高頻時，電容阻抗較低，故電路成為兩點接地方式。因此，這種接地方式適用于工作于寬頻帶的電路。應注意的是，要避免所使用的電容器與引線電感發生諧振。

圖6-12混合接地

實際用電設備的情況比較復雜，很難通過某一種簡單的接地方式解決問題，因此混合接地應用更為普遍。

6.4.4懸浮接地

浮地就是將電路、設備的信號接地系統與安全接地系統、結構地及其它導電物體隔離，如圖6-13所示。圖中列舉了三個設備，各個設備的內部電路都有各自的參考“地”,它們通過低阻抗接地導線連接到信號地，信號地與建筑物結構地及其它導電物體隔離。

圖6-13懸浮接地采用這種接地方式，可以避免安全接地回路中存在的干擾電流影響信號接地回路。浮地的概念也可以應用于設備內部的電路接地設計——將設備內部的電路參考地與設備機殼隔離，避免機殼中的干擾電流直接耦合至信號電路。浮地接地的干擾耦合取決于浮地接地系統和其它接地系統的隔離程度，在一些大系統中往往很難做到理想浮地。除此之外，特別在高頻情況下，更難實現真正的浮地。特別是當浮地接地系統靠近高壓設備、線路時，可能堆積靜電電荷，引起靜電放電，形成干擾電流。

因此，除了在低頻情況下，為防止結構地、安全地中的干擾地電流騷擾信號接地系統外，一般不采用懸浮接地的方式。

6.5.1放大器屏蔽盒的接地

電路組件、高增益的放大器常常裝在一個金屬盒內，一方面形成具有一定機械強度的固定構件，另一方面保護其內部電路組件、放大器等免受電磁輻射的騷擾。但是，屏蔽盒如何接地呢？

6.5屏蔽體接地

如圖6-14所示，放大器與屏蔽盒之間存在寄生電容。由等效電路可以看出，寄生電容C1S和C3S使放大器的輸出端到輸入端有一反饋通路，反饋到輸入端的電壓為

(6-17)

式中：U3是放大器輸出端的電壓；UN是放大器輸入端的騷擾電壓。

圖6-14放大器屏蔽盒的接地4此反饋如不消除，則放大器將產生自激振蕩。解決的方法是把屏蔽盒接至放大器的公共端(AmplifierCommonTerminal)，將C2S短路，如圖6-14(c)所示。由式(6-17)可知，當C2S＝∞時，UN＝0。這種屏蔽體連接方式，在放大器的公共端不接地的電路中也是適用的。6.5.2電纜屏蔽層的接地

頻率低于1MHz時，電纜屏蔽層的接地一般采用一端接地方式，以防止騷擾電流流經電纜屏蔽層，使信號電路受到干擾。一端接地還可以避免騷擾電流通過電纜屏蔽層形成地環路(GroundLoop)，從而可防止磁場的騷擾。電纜屏蔽層的接地點應根據信號電路的接地方式來確定。

如圖6-15所示為一接地的放大器和一個不接地的信號源相連接。圖中UG1表示放大器公共端對地的電位，UG2表示兩個接地點的電位差。連接電纜的芯線和屏蔽層之間由于存在分布電容而產生騷擾耦合。放大器輸入端(即1、2兩端)，出現的外來電壓就是騷擾電壓，以U12表示。

圖6-15電纜屏蔽層接至放大器的公共端電纜屏蔽層有A、B、C、D四個可能的接地方法(或者接地點，圖中用虛線表示)。屏蔽層接到A點，顯然是不適合的，因為屏蔽層的騷擾電流會因此直接流入一條芯線，產生騷擾電壓，而且該騷擾電壓與信號電壓是串聯的。B點接地時(接地方法B)，加至放大器輸入端的有騷擾電壓UG1和UG2，并由C1、C12分壓，放大器輸入端的騷擾電壓為

由上式可見，這種接地方式是不能令人滿意的。C點接地時(接地方法C)，加至放大器輸入端的仍有電壓UG1，經C1、C12分壓后，在放大器輸入端產生的騷擾電壓為

因而這種接地方式仍不理想。D點接地時(接地方法D)，放大器輸入端沒有騷擾電壓存在。所以，當電路有一個不接地的信號源與一個接地的放大器連接時，連接電纜的屏蔽層應接至放大器的公共端。

同理，當一個接地的信號源與一個不接地的放大器連接時，連接電纜的屏蔽層應接至信號源的公共端。

屏蔽雙絞線(ShieldedTwistedPair)和同軸電纜(CoaxialCable)的首選低頻屏蔽體接地方案如圖6-16所示。圖6-16(a)～圖6-16(d)分別表示或者在放大器的公共端接地，或者在信號源的公共端接地。

圖6-16屏蔽雙絞線、同軸電纜的低頻首選接地方式當頻率高于1MHz或電纜長度超過信號波長的1/20時，常采用多點接地方式，以保證屏蔽層上的地電位。最常用的是兩端接地，如圖6-17所示。長電纜應在每隔1/10波長處接地一次。由于集膚效應，減少了屏蔽層上信號電流與騷擾電流的耦合。集膚效應使騷擾電流在屏蔽層外表面流動，而信號電流在屏蔽層內表面流動。同軸電纜在高頻時多點接地能提供一定的磁屏蔽作用。

圖6-17屏蔽雙絞線、同軸電纜的高頻兩端接地方式高頻時出現的另一個問題是，雜散電容的耦合也會形成地環路，如圖6-18所示。這時電纜屏蔽層通過雜散電容實際上已被接地。若用一個小電容代替雜散電容，則可形成混合接地(復合接地)：在低頻時，因小電容對低頻的阻抗很高，電路是一點接地；在高頻時，小電容的阻抗變得很低，電路變成多點接地。所以，這種接地方法對寬頻帶工作是有利的。

必須指出，電纜屏蔽層的一端接地并不能防止磁場的干擾。屏蔽電纜的防磁作用將在下面討論。

圖6-18高頻時通過雜散電容形成地環路6.5.3電纜屏蔽層的一端接地與兩端接地

騷擾源磁屏蔽的目的在于防止騷擾源的磁輻射。屏蔽導線接入電路時，只要將屏蔽體在一端接地，則中心導線的電流在屏蔽體上感應出的電荷就被泄放入地。電場將被限制在屏蔽體的內部空間，在屏蔽體外部沒有電場，因而屏蔽體一端接地就具有電場屏蔽作用，如圖6-19(a)所示。但是一端接地的屏蔽體并不能限制磁場，其磁屏蔽作用是非常小的。

圖6-19電纜屏蔽層的一端接地的屏蔽作用如果使屏蔽體內流過一個電流，其大小與中心導線電流的大小相等、方向相反，則在屏蔽體外部，屏蔽體上的電流將產生一個磁場，它與中心導線上的電流所產生的磁場大小相等，方向相反，這兩個磁場相抵消，其結果是在屏蔽體的外部沒有磁場存在，如圖6-19(b)所示，從而起到磁屏蔽作用。

為了使屏蔽導線具有防止磁輻射的磁屏蔽作用，屏蔽體必須在兩端都接地，使屏蔽體能夠提供一個電流回路。電纜屏蔽層兩端接地及其等效電路如圖6-20所示。

圖6-20屏蔽層兩端接地及其等效電路為了求出流經屏蔽層的電流IS，由圖6-20中的等效電路沿環路A→RS→LS→B→A列方程：

IS(jωLS＋RS)－jωMI1＝0 (6-18)

由式(3-21)知，M＝LS，因此

(6-19)對上式求模值，得

(6-20)

由式(6-21)可知，當ω>>ωc時，IS≈I1。即當頻率ω遠大于屏蔽體的截止頻率ωc時，流經屏蔽層的電流IS近似等于中心導線的電流I1。這也就是說，由于屏蔽體與中心導體之間的互感，使屏蔽體在高頻時，能夠提供一個比地面回路電感低得多的電流回路。這時IS≈I1，且方向相反。由這兩個電流產生的屏蔽體外部的磁場相互抵消，使屏蔽層外部沒有磁場存在，從而起到了防止磁輻射的作用。圖6-21屏蔽層一端接地，另一端與中心導線連接

當ω>>ωc時，流經屏蔽層的返回電流IS很小，大部分返回電流IS將流經地面，所以這時屏蔽導線的磁屏蔽作用是很有限的。

圖6-21所示為將中心導線的一端與屏蔽層連接，并將屏蔽層的另一端接地。這樣中心導體的返回電流就全部流經屏蔽層，所以這種接地方法有很好的磁屏蔽效果。這種接地方法的磁屏蔽效果，不是由于屏蔽體的磁屏蔽性能，而是由于屏蔽體上的返回電流能夠產生一個抵消中心導線磁場的磁場。

綜上可見，電纜屏蔽體兩端接地的使用條件是：

①頻率應遠大于5倍屏蔽體的截止頻率。

②屏蔽體上不會有其它回路電流流過。

③屏蔽體兩端對地沒有電位差。

6.6.1接地公共阻抗產生的干擾

兩個不同的接地點之間存在一定的電位差，稱為地電壓。這是由于兩接地點之間總有一定的阻抗，地電流流經接地公共阻抗，在其上產生了地電壓，此地電壓直接加到電路上形成共模干擾電壓。例如，圖6-22所示的接地回路，來自直流電源或者高頻信號源的電流經接地面返回。由于接地面的公共阻抗非常小，所以在電路的性能設計時往往不予考慮。但是，對電磁騷擾而言，在回路中必須考慮接地面阻抗的存在。6.6地回路干擾因此，在圖中所示的干擾回路和被干擾回路之間存在一個公共阻抗Zi，該公共阻抗上存在的電壓為Ui＝ZiI1＋ZiI2。對被干擾回路而言，ZiI1是電磁騷擾電壓,而ZiI2是對負載電壓降的分壓，由于RL2|Zi|，因此，一般情況下ZiI2對負載電壓降的影響可以忽略不計，僅考慮I1所引起的電磁騷擾電壓對負載的作用。

圖6-22公共阻抗引起的騷擾如果不考慮被干擾回路的電流I2在接地公共阻抗Zi上的作用，即令U2＝0，則電路1中的電流I1在接地公共阻抗Zi上產生騷擾電壓Ui，此電壓降使被干擾回路的負載RL2受到騷擾，其騷擾電壓為

(6-21)

由此可知，被干擾回路的負載RL2受到的騷擾是電路1騷擾源U1的函數。

【例６－１】

假設采用電纜槽作為接地面，將兩個電路的地線均接到電纜槽上，接地點間的公共地阻抗Zi＝0.32Ω；電路1發送定時脈沖，電壓信號源幅度為5V，頻率為100kHz；信號源的內阻為100Ω；負載阻抗為10Ω；被干擾回路的信號源內阻為100Ω；負載端是內含傳感器的顯示裝置，阻抗為100Ω；顯示器的靈敏度為1mV。求被干擾回路的負載(顯示裝置)上可能受到的干擾電壓值。

【解】

根據公式(6-21)可知，負載(顯示裝置)上可能受到的干擾電壓值為

可見，干擾電壓Un的值遠遠大于顯示器的靈敏度1mV，因此顯示器不能正常工作。此例表明，在電子電路的設計和布局中，必須給予公共地阻抗足夠的重視。

6.6.2地電流與地電壓的形成

電子設備一般采用具有一定面積的金屬板作為接地面，由于各種原因在接地面上總有接地電流通過，而金屬接地板兩點之間總存在一定的阻抗，因而產生接地干擾電壓。可見，接地電流的存在是產生接地干擾的根源。接地電流產生的原因，主要有以下幾種。

(1)導電耦合引起接地電流。

用電設備中的各級電路不可能總采用一點接地，在許多情況下需要采用兩點接地或多點接地，即通過兩點或多點實現與接地面的連接，因此形成接地回路，接地電流將流過接地回路，如圖6-23所示。

圖6-23導電耦合的地電流回路

圖6-24接地電流回路

(2)電容耦合形成接地電流。

由于電路元件、器件、構件與接地面之間存在雜散電容(分布電容)，通過雜散電容可以形成接地回路，電路中的電流總會有部分電流泄漏到接地回路中。圖6-24(a)表示導電耦合與電容耦合形成的接地回路，接地電流通過接地回路流動。圖6-24(b)表示在阻抗元件的高電位和低電位兩點上的分布電容所形成的接地回路，當該接地回路處于諧振狀態時，接地電流將非常大。

(3)電磁耦合形成感應電流。

當電路中的線圈靠近設備殼體時，殼體相當于只有一匝的二次線圈，它和一次線圈之間形成變壓器耦合，機殼內因電磁感應將產生接地電流，而且不管線圈的位置如何，只要有變化磁通通過殼體，就會產生感應電流。

(4)金屬導體的天線效應形成地電流。

輻射電磁場照射到金屬導體時，由于金屬導體的接收天線效應，使金屬導體上產生感應電動勢，如果金屬體是箱體結構，那么由于電場作用，在平行的兩個平面上將產生電位差，使箱體有接地電流流過，該金屬箱體同回路連接時，就會形成有接地電流通過的電流回路。圖6-25電磁波在傳輸線上形成的共模干擾

當采用傳輸線連接的設備置于地面附近時，如圖6-25所示，外界電磁場作用于傳輸線，使傳輸線上形成共模干擾電壓源，進一步在公共地阻抗上形成干擾電壓?；蛘撸ㄟ^傳輸線與接地面形成的導電回路中的電磁場隨著時間變化，也會在傳輸線上形成干擾。

由上述分析可以看出，接地公共阻抗、傳輸線或者金屬機殼的天線效應等因素，使地回路中存在共模干擾電壓，該共模干擾電壓通過地回路作用到受害電路的輸入端，形成地回路干擾。

6.7.1放大器與信號源的接地點選擇

圖6-26表示一個信號源與放大器連接的電路。如果信號源在A點接地，放大器在B點接地，則兩接地點A、B之間存在地電位差UG。

6.7電路的接地點選擇

圖6-26放大器與信號源接地點的選擇

RC1和RC2為信號源與放大器連接導線的電阻。由圖可見，此時加至放大器輸入端的電壓為UN＝US＋UG。為了剔除地電壓的干擾，應采用一點接地。如果采用A點接地，而B點不接地，即放大器所用的電源不接地，此時需要使用差分放大器。通常比較方便的一點接地方式是選擇B點接地，而A點不接地。

在圖6-26中，導線電阻RC1和RC2一般很小，通常在1Ω以下，取RC1＝RC2＝1Ω。兩接地點A、B之間存在的地電阻RG更小，比如取RG＝0.01Ω。信號源的內阻RS一般為500Ω。設放大器的輸入阻抗為10kΩ，圖6-26所示電路的等效電路可用圖6-27來表示。

圖6-27信號源連接放大器的接地干擾分析因為RC2<<RS＋RC1＋RL，由等效電路圖6-27(b)可得C點到地的電壓為

從而確定的放大器輸入端的干擾電壓為

顯然，接地干擾電壓對放大器輸入端的干擾電壓值為

(6-22)【例6-2】

設RC1＝RC2＝1Ω，RS＝500Ω，RL＝10kΩ,RG＝0.01Ω,UG＝10mV，試計算接地干擾電壓在放大器輸入端施加的干擾電壓值。

【解】

將所給數值代入式(6-22)計算，可知UN＝0.94mV。計算結果表明，10mV的接地干擾電壓幾乎全部施加于放大器輸入端。

現在將信號源與放大器隔離，即在信號源與地之間加入一個很大的阻抗ZSG(即加在圖6-27(a)中的C點與A點之間)。此時，接地干擾電壓施加與放大器輸入端的干擾電壓值為

(6-23)

比較式(6-22)與式(6-23)可知，由于|ZSG|>>RC2＋RG，所以式(6-23)中的干擾電壓值將大幅度降低，即信號源與地隔離比放大器與地相連時，放大器輸入端的干擾電壓小得多。理想的隔離阻抗為無窮大，此時放大器輸入端的干擾電壓值為零。如果ZSG＝1MΩ，根據式(6-23)計算得，UN＝0.0095μV。

綜上可見，信號源與放大器連接構成電路時，采用信號源與地隔離的一點接地方式，可抑制接地干擾電壓對放大器輸入端產生的干擾。6.7.2多級電路接地點的選擇

多級電路的接地點應選擇在何處為宜？一般來說，電子設備中的低電平級電路是受干擾的電路，因此，接地點的選擇也應使低電平級電路受干擾最小。

圖6-28所示的A、B、C三級電路，其電平關系為A＜B＜C。圖6-28(a)為接地點o選擇在靠近高電平級電路的c端；圖6-28(b)為接地點o選擇在靠近低電平級電路的a端。多級電路接地點的選擇原則分析如下。

圖6-28多級電路接地點的選擇多級電路接地點選擇在靠近高電平級電路端(圖6-28(a))時，低電平級電路端a點的電位為

Uao＝(Rab＋jωLab)Ia＋(Rbc＋jωLbc)(Ia＋Ib)

＋(Rco＋jωLco)(Ia＋Ib＋Ic) (6-24)

式中，Rab、Rbc、Rco和Lab、Lbc、Lco分別表示ab、bc、co各段接地線的電阻及電感。

接地點選擇在靠近低電平級電路端時，低電平級電路a點的電位為

U'ao＝(Rao＋jωLao)(Ia＋Ib＋Ic) (6-25)

比較式(6-24)和式(6-25)可見，|Uao|＜|U'ao|。這說明接地點選擇在靠近低電平級電路的輸入端時，電路受地電位差的干擾最小，因為這時a點電位只受ao段地線阻抗的影響。因此得出結論,多級電路的接地點應選擇在低電平級電路的輸入端。

6.7.3諧振回路接地點的選擇

眾所周知，并聯諧振回路內部的電流是其外部電流的Q倍(Q為諧振回路的品質因數)。有時諧振回路內部的電流是非常大的，如果把諧振回路的電感L和電容C分別接地，如圖6-29所示，由圖可見，在接地回路中將有高頻大電流通過，會產生很強的地回路干擾。

如果將諧振回路的電感L和電容C取一點接地，使諧振回路本身形成一個閉合回路，如圖6-30所示，此時高頻大電流將不通過接地面，從而有效地抑制了地回路干擾。因此，諧振回路必須單點接地。

圖6-29諧振回路的錯誤接地

圖6-30諧振回路的正確接地

6.8.1隔離變壓器

隔離變壓器是通過阻隔地回路的形成來抑制地回路干擾的，如圖6-31所示。圖中，電路1的輸出信號經變壓器耦合到電路2，而地回路則被變壓器所阻隔。6.8地回路干擾的抑制措施

圖6-31采用隔離變壓器阻隔地回路

圖6-32隔離變壓器阻隔地回路的等效電路但是，變壓器繞組之間存在分布電容，通過此分布電容形成地回路的等效電路如圖6-32所示。圖中設輸出電路的內阻為零，變壓器繞組之間的分布電容為C，輸入電路的輸入電阻為RL。

在分析隔離變壓器阻隔地回路的干擾時，根據電路分析的疊加原理，可以不考慮信號電壓的傳輸，即將信號電壓短路，只考慮地回路電壓UG。

由圖6-32可見，由地回路電壓UG產生的地回路電流為

(6-26)

式中：ω為地回路電壓UG的角頻率；I、UG分別為地回路電流、電壓。

地回路電流I在RL上產生的壓降為

(6-27)將上式整理，得

(6-28)

因此

(6-29)當沒有采用隔離變壓器，直接采用信號線傳輸時，干擾電壓UG全部加到RL上，而采用隔離變壓器后加到RL上的電壓為UN。所以，式(6-29)表示隔離變壓器抑制地回路干擾的能力。|UN/UG|越小，抑制干擾的能力就越大。

由式(6-29)可知，當ωCRL<<1時，|UN/UG|<<1。所以，要提高隔離變壓器的抗干擾能力，有效的辦法是減小變壓器繞組間的分布電容C(因為ω是無法改變的，而減小負載電阻RL會影響信號的傳輸)。如在變壓器之間加一電屏蔽(見圖6-32)就可以有效地減小繞組之間的分布電容C，從而有效地阻隔了地回路的干擾。為了防止地回路電壓UG通過電屏蔽層與繞組之間的分布電容耦合加至負載RL，造成干擾，電屏蔽層應接至負載RL的接地端。

必須指出，采用隔離變壓器不能傳輸直流信號，也不適于傳輸頻率很低的信號。但是，隔離變壓器對地線中較低頻率的干擾具有很好的抑制能力。同時，電路中的信號電流只在變壓器繞組連線中流過，因此可避免對其它電路的干擾。

6.8.2縱向扼流圈

當傳輸的信號中有直流分量或很低的頻率分量時，就不能用隔離變壓器，因為隔離變壓器使直流和低頻信號無法通過。圖6-33所示的縱向扼流圈(LongitudinalChoke)(或稱為中和變壓器(NeutralizingTransformer))，可以通過直流或低頻信號，對地回路共模干擾電流呈現出相當高的阻抗，使其受到抑制。

圖6-33采用縱向扼流圈阻隔地回路

縱向扼流圈是由兩個繞向相同、匝數相同的繞組所構成，一般常用雙線并繞而成。信號電流在兩個繞組流過時方向相反，稱為異模電流，產生的磁場相互抵消，呈現低阻抗。所以，扼流圈對信號電流不起扼流作用，并且不切斷直流回路。地線中的干擾電流流經兩個繞組的方向相同，稱為共模電流，產生的磁場同向相加。扼流圈對地回路干擾電流呈現高阻抗，起到抑制地回路干擾的作用。

圖6-33(a)的電路性能可用圖6-33(b)的等效電路加以分析。在圖6-33(b)中，信號源電壓US通過縱向扼流圈并經連接線電阻RC1、RC2接至負載RL。縱向扼流圈可用電感L1、L2及互感M表示。若扼流圈的兩個繞阻完全相同，且在同一個鐵芯上構成緊耦合，則有L1＝L2＝M。UG是地電位差或地線環路經磁耦合形成的地回路電壓(此處稱為縱向電壓)。

首先分析縱向扼流圈對信號電壓US的影響。此時可暫不考慮UG。因RC1與RL串聯，且RC1<<RL,故RC1可忽略不計。這樣，圖6-33(b)的等效電路可簡化為圖6-34的形式。

圖6-34縱向扼流圈對信號電壓US的影響

信號電流IS流經負載RL后就分成兩路：一部分(IG)直接入地，另一部分(IS－IG)流經RC2、L2后入地。由流經RC2、L2入地的回路可得

(ＩS－IG)(RC2＋jωL2)－ISjωM＝0 (6-30)

用M＝L2＝L代入上式并經整理得或

(6-31)

式中，取ωL＝RC2時的角頻率為ωc,即

(6-32)

ωc稱為扼流圈的截止角頻率。當ω＝ωc時,|IG|＝0.707|ＩS|；當ω＞ωc時，只有小部分信號流經地線。一般認為，當ω≥5ωc時，IG→0，這時絕大部分信號電流經RC2、Ｌ2入地。

根據圖6-34中上面的回路，可列出方程：

US＝IS(jωL1＋RL－jωM)

＋(IS－IG)·(ＲC2＋jωL2－jωM) (6-33)用M＝L1＝L2代入上式并經整理得

(6-34)

因為RC2<<ＲL，且當ω≥5ωc時，IG→0，所以，式(6-34)可簡化為

(6-35)圖6-35縱向扼流圈對地回路電壓UG的影響上式說明，流經負載RL的信號電流IS相當于沒有接入縱向扼流圈時的電流。因此，當扼流圈的電感足夠大，使信號頻率ω≥5ωc(ωc＝RC2/L)時，可認為加入扼流圈對信號傳輸沒有影響。

現在再分析縱向扼流圈對地回路電壓UG的抑制作用。此時可不考慮信號電壓(即將US短路)，等效電路如圖6-35所示。

未加扼流圈時，地回路干擾電壓UG全部加到RL上。加扼流圈后，流經扼流圈兩個繞組的干擾電流分別為I1、I2，在負載RL上的干擾電壓UN＝I1RL。由I1回路得

UG＝jωL1I1＋jωMI2＋Ｉ1RL (6-36)

由I2回路得

UG＝jωL2I2＋jω