地线

woshiwo

  1 什么是地线？
　　地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线，后者是为了保证电路正确工作所设置的地线。造成电路干扰现象的主要是信号地，因此这里仅讨论信号地的问题。
信号地的一般定义是：电路的电位参考点。
　　更恰当地说，这个定义是我们设计电路时的一个假设。从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。从现在开始，我们在分析电磁兼容问题时，使用下面的定义。
　　地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。
　　既然地线是电流的一个路径，那么根据欧姆定律，地线上是有电压的；既然地线上有电压，说明地线不是一个等电位体。这样，我们在设计电路时，关于地线电位一定的假设就不再成立，因此电路会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。
2 地线的阻抗有多大？
　　一个难以理解的问题是，我们在设计地线时，都使地线的电阻很小，那么地线上的电位差怎么会大到导致电路出错的程度。理解这个问题，要理解地线阻抗的组成。
　　地线的阻抗Z由电阻部分和感抗部分两部分组成，即：Z = RAC + jωL。
　　电阻成分：导体的电阻分为直流电阻RDC和交流电阻RAC。对于交流电流，由于趋肤效应，电流集中在导体的表面，导致实际电流截面减小，电阻增加，直流电阻和交流电阻的关系如下：
　　RAC= 0.076rf1/2RDC
式中：r=导线的半径，单位cm，f=流过导线的电流频率，单位Hz， RDC= 导线的直流电阻，单位Ω。
　　电感成分：任何导体都有内电感（这区别于通常讲的外电感，外电感是导体所包围的面积的函数），内电感与导体所包围的面积无关。对于圆截面导体如下：
　　L=0.2S[ln(4.5/d) -1] （μH）
式中S=导体长度(m)，d=导体直径(m)
　　表1说明了直流电阻与交流阻抗的巨大差异。频率很低时的阻抗可以认为是导体的电阻，从表中可以看出，随着频率升高，阻抗增加很快，当频率达到100MHz以上时，直径6.5mm长度仅为10cm的导线也有数十欧姆的阻抗。
频率    d=0.65cm    d=0.27cm    d=0.06cm    d=0.04cm
   10cm    1m    10cm    1m    10cm    1m    10cm    1m
10Hz    51.4μΩ    517μΩ    327μΩ    3.28mΩ    5.29mΩ    52.9mΩ    13.3mΩ    133mΩ
1kHz    429μΩ    7.14mΩ    632μΩ    8.91mΩ    5.34mΩ    53.9mΩ    14mΩ    144mΩ
100kHz    42.6mΩ    712mΩ    54mΩ    828mΩ    71.6mΩ    1.0Ω    90.3mΩ    1.07Ω
1MHz    426mΩ    7.12Ω    540mΩ    8.28Ω    714mΩ    10Ω    783mΩ    10.6Ω
5MHz    2.13Ω    35.5Ω    2.7Ω    41.3Ω    3.57Ω    50Ω    3.86Ω    53Ω
10MHz    4.26Ω    71.2Ω    5.4Ω    82.8Ω    7.14Ω    100Ω    7.7Ω    106Ω
50MHz    21.3Ω    356Ω    27Ω    414Ω    35.7Ω    500Ω    38.5Ω    530Ω
100MHz    42.6Ω         54Ω         71.4Ω         77Ω    
150MHz    63.9Ω         81Ω         107Ω         115Ω    
表1 不同直径、长度的导线的阻抗
3 地环路干扰及对策
　　地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是设备之间的地线电位差。地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压（图1）。
　　由于地环路干扰是由地环路电流导致的，因此在实践中，有时会发现，当将一个设备的地线断开时，干扰现象消失，这是因为地线断开时，切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合，当干扰频率高时，短开地线与否关系不大。
　　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，在这个电压的驱动下，“设备1-互联电缆-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，在地线中引起较强电流，而地线又有较大阻抗产生的。
　　地环路干扰形成的原因2：由于互联设备处在较强的电磁场中，电磁场在“设备1 - 互联电缆 - 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。
　　解决地环路干扰的方法：解决地环路干扰的基本思路有三个：一个是减小地线的阻抗，从而减小干扰电压，但是这对第二种原因导致的地环路没有效果。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。更实用的方法是使用隔离变压器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡电路等方法。第三个方法是改变接地结构 ，将一个机箱的地线连接到另一个机箱上，通过另一个机箱接地，这就是单点接地的概念。
4 公共阻抗耦合及对策
　　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，如图2(a) 所示。
　　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进了前一个电路。
　　放大器级间公共地线耦合问题：图2(a) 中的放大器，由于前置放大电路与功率放大电路共用一段地线，功率放大电路的地线电流很大，因此在地线上产生了较大的地线电压V。这个电压正好在前置放大电路的输入回路中，如果满足一定的相位关系，就形成了正反馈，造成放大器自激。
　　解决办法：可以有两个解决办法，一个是将电源的位置改变一下，使它靠近功率放大电路，这样，就不会有较大的地线电压落在前置放大电路的输入回路中了，如图2 (b) 所示。另一个办法是功率放大电路单独通过一根地线连接到电源，这实际是改成了并联单点接地结构，如图2 (d) 所示。
5 接地策略
  　　信号地有图3所示的几种方式。
　　单点接地：所有电路的地线接到公共地线的同一点，进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。最大好处是没有地环路，相对简单。但地线往往过长，导致地线阻抗过大。
　　多点接地：所有电路的地线就近接地，地线很短，适合高频接地。问题是存在地环路。
　　混合接地：在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。
　　串联单点接地容易产生公共阻抗耦合的问题，解决的方法是采用并联单点接地。但是并联单点接地往往由于地线过多，而没有可实现性。因此，灵活的方案是，将电路按照信号特性分组，相互不会产生干扰的电路放在一组，一组内的电路采用串联单点接地，不同组的电路采用并联单点接地。如图4所示。这样，既解决了公共阻抗耦合的问题，又避免了地线过多的问题。

jsliujin

初学者不错的教材

songhui1997

在飞机上还遇到了“结构地”，不知道属于“安全地”还是“信号地”？

duoduo

用了很多年，也没用明白