1、第六章 接地技术及其应用u6.1 接地及其分类接地及其分类u6.2 安全接地安全接地u6.3 导体阻抗的频率特性导体阻抗的频率特性u6.4 信号接地信号接地u6.5 屏蔽体接地屏蔽体接地u6.6 地回路干扰地回路干扰u6.7 电路的接地点选择电路的接地点选择u6.8 地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施6.1.1 接地的概念接地的概念 所谓“地”(Ground)，一般定义为电路或系统的零电位参考点，直流电压的零电位点或者零电位面，它不一定为实际的大地(建筑地面)，可以是设备的外壳或其它金属板或金属线。接地原意指与真正的大地(Earth)连接以提供雷击放电的通路(例如，避雷针一端埋入大地)，
2、后来成为为用电设备提供漏电保护(提供放电通路)的技术措施。6.1 接地及其分类接地及其分类现在接地的含义已经延伸，“接地”(Grounding)一般指为了使电路、设备或系统与“地”之间建立低阻抗通路，而将电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面的良导体的技术行为，其中一点通常是系统的一个电气或电子元(组)件，而另一点则是称之为“地”的参考点。例如，当所说的系统组件是设备中的一个电路时，则参考点就是设备的外壳或接地平面。6.1.2 接地的要求接地的要求(1)理想的接地应使流经地线的各个电路、设备的电流互不影响，即不使其形成地电流环路,避免使电路、设备受磁场和地电位差的影响。(2)理想
3、的接地导体(导线或导电平面)应是零阻抗的实体，流过接地导体的任何电流都不应该产生电压降，即各接地点之间没有电位差，或者说各接地点间的电压与电路中任何功能部分的电位比较均可忽略不计。(3)接地平面应是零电位，它作为系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。(4)良好的接地平面与布线间将有大的分布电容，而接地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，使设备稳定地工作。接地平面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的长度、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。用于安装固定式设备的接地平面,应由整块铜板或者铜网组成。6.1.3 接地的分类接地的分类 通常，电路、用电设备
4、按其作用可分类为安全接地(Safety Grounds)和信号接地(Signal Grounds)。其中安全接地又有设备安全接地、接零保护接地和防雷接地，信号接地又分类为单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地，见表6-1。表表6-1 接地的分类接地的分类6.2.1 设备安全接地设备安全接地 设备安全接地是安全接地的一种。为了人、机安全，任何高压电气设备、电子设备的机壳、底座均需要安全接地，以避免高电压直接接触设备外壳，或者避免由于设备内部绝缘损坏造成漏电打火使机壳带电,否则，人体触及机壳就会触电，如图6-1所示。一般用电设备在使用中，因绝缘老化、受潮等原因导致带电导线或者导电部件与机壳之间漏电
5、，或者因设备超负荷引起严重发热，导致烧损绝缘材料造成漏电，或者因环境气体污染、灰尘沉积导致漏电和电弧击穿打火。6.2 安全接地安全接地机壳通过杂散阻抗而带电，或者因绝缘击穿而带电，如图6-1所示。设U1为用电设备中电路的电压，Z1为电路与机壳(Chassis)之间的杂散阻抗(Stray Impedances)，Z2为机壳与地之间的杂散阻抗，U2为机壳与地之间的电压。机壳对地的电压U2是由机壳对地的阻抗Z2分压造成的，即(6-1)12122UZZZU当机壳与地绝缘(Z2)，即Z2Z1时，则U2U1。如果U2足够大(例如超过36 V)时，人体触及机壳就可能发生危险。为了人身安全，机壳应该接地，使Z
6、20，从而使U20。图6-1 设备机壳接地的作用如果人体触及机壳，相当于机壳与大地之间连接了一个人体电阻Zb。人体电阻变化范围很大，一般地，人体的皮肤处于干燥洁净和无破损情况时，人体电阻可高达40100 k；人体处于出汗、潮湿状态时，人体电阻降至1000左右。但是，流经人体的安全电流值，对于交流电流为1520 mA，对于直流电流为50 mA。当流经人体的电流高达100 mA时，就可能导致死亡发生。因此，我们国家规定的人体安全电压为36 V和12 V。一般家用电器的安全电压为36 V，以保证触电时流经人体的电流值小于40mA。为了保证人体安全，应该将机壳与接地体连接，即应该将机壳接地。这样，当人
7、体触及带电机壳时，人体电阻与接地导线的阻抗并联，人体电阻远大于接地导线的阻抗，大部分漏电电流经接地导线旁路流入大地。通常规定接地电阻值为510，所以，流经人体的电流值将减小为原先的1/2001/100。6.2.2 接零保护接地接零保护接地 用电设备通常采用220V(单相三线制)或者380 V(二相四线制)电源提供电力，如图6-2所示。设备的金属外壳除设备的金属外壳除了正常接地之外，还应与电网零线相连接，称之为接零了正常接地之外，还应与电网零线相连接，称之为接零保保护。护。当用电设备外壳接地后，一旦发生人体与机壳接触时，人体处于与接地电阻并联的位置，因接地电阻远小于人体电阻，使漏电电流绝大部分从
8、接地线中流过。但是，接地电阻与电网中性点接地的接触电阻相比，在数量上相当，故接地线上的电压降几乎为相电压220V的一半，这一电压超过了人体能够承受的安全电压，使接触设备金属外壳的人体上流过的电流超过安全限度，从而导致触电危险。因此，即使外壳良好接地也不一定能够保证安全，为此，应该把金属设备外壳接到供电电网的零线(中线)上，才能保证安全用电，如图6-2所示。这就是所谓的“接零保护”原理。室内交流配线可采用如图6-2(a)所示的接法。图中“火线”上接有保险丝，负载电流经“火线”至负载再经“零线”返回。还有一根线是安全“地线”。该地线与设备机壳相连并与“零线”连接于一点。因而，地线上平时没有电流，所
9、以没有电压降，与之相连的机壳都是地电位。只有发生故障，即绝缘被击穿时，安全地线上才会有电流。但该电流是瞬时的，因为保险丝或电流断路器在发生故障时会立即将电路切断。图6-2 接零保护6.2.3 防雷接地防雷接地 防雷接地是将建筑物等设施和用电设备的外壳与大地连接，将雷电电流引入大地，从而保护设施、设备和人身的安全，使之避免雷击，同时消除雷击电流窜入信号接地系统，以避免影响用电设备的正常工作。防雷接地是一项专门技术，详细内容请查阅其它技术文献。6.2.4 安全接地的有效性安全接地的有效性 安全接地的质量好坏，关系到人身安全和设施安全，因此，必须检验安全接地的有效性。接地的目的是为了使设备与大地有一
10、条低阻抗的电流通路，因此，接地是否有效取决于接地电阻。接地电阻的阻值越小越好。接地电阻与接地装置、接地土壤状况以及环境条件等因素有关。一般地，接地电阻应小于10。针对不同的接地目的，对接地电阻有不同的选择。设备安全接地的接地电阻一般应小于10；1000 V以上的电力线路要求小于0.5的接地电阻；防雷接地一般要求接地电阻为1025；建筑物单独装设的避雷针的接地电阻要求小于25。接地电阻属于分布电阻。通常，接地电阻由接地导线的电阻、接地体的电阻和大地的杂散电阻三部分组成,其中大地杂散电阻起主要作用。因此，接地电阻的大小不仅与接地体的大小、形状、材料等特性有关，而且与接地体附近的土壤特性有很大关系。
11、土壤的成分、土壤颗粒的大小和密度、地下水中是否含有被溶解的盐类等因素也影响接地电阻的阻值。除此之外，接地电阻还受环境条件的影响，天气的潮湿程度、季节变化和温度高低变化都影响接地电阻的阻值。因此，接地电阻的阻值并不是固定不变的，需要定期测定监视。当出现接地电阻阻值不符合接地要求时，可以采用保持水分、化学盐化和化学凝胶三种方法来有效地降低土壤的电阻率，以减小接地电阻。接地装置也称为接地体，常见的有接地桩、接地网和地下水管等。通常把接地体分类为自然接地体和人工接地体两大类型。埋设在地下的水管、输送非燃性气体和液体的金属管道、建筑物埋设在地下或水泥中的金属构件、电缆的金属外皮等属于自然接地体。一般说来
12、，自然接地体与大地的接触面积比较大，长度也较大，因此其杂散电阻较小，往往比专门设计的接地体的性能更好。同时，自然接地体与用电设备在大多数情况下已经连接成整体，大部分故障漏电电流能在接地体的开始端向大地扩散，所以很安全。自然接地体还在地下纵横交叉，从而降低接触电压及跨步电压，所以1000 V以下的系统，一般都采用自然接地体。对于大电流接地系统，要求接地电阻阻值较低。埋设于地下的自然接地体因其表面腐蚀等使其接地电阻难以降低，因此需要采用人工接地体。必须指出，在弱信号、敏感度高的测控系统、计算机系统、贵重精密仪器系统中不能滥用自然接地体。例如水管，一般地水管与建筑物的金属构件及大地并没有良好的接触，
13、其接地电阻阻值比较大，因此不宜作为接地体。人工接地体是人工埋入地下的金属导体，常见的形式有垂直埋入地下的钢管、角钢和水平放置的圆钢、扁钢，还有环形、圆板形和方板形的金属导体。电磁兼容工程中，接地、搭接是抑制电磁干扰的有效措施。不论地线还是搭接条，它们的直流电阻、交流电阻和感抗的不同，反映了导体阻抗的频率特性。在用电设备、系统数字化的信息时代，导线传输高频电流产生电磁骚扰，可能形成电磁干扰，影响设备、系统的电磁兼容性。因此，分析导线阻抗的频率特性，有益于设计、实施接地或搭接。图6-3为研究导体射频阻抗的导体几何形状。6.3 导体阻抗的频率特性导体阻抗的频率特性图6-3 导体几何形状6.3.1 直
14、流电阻与交流电阻关系的广义描述直流电阻与交流电阻关系的广义描述 众所周知，导线的直流电阻为(6-2)式中：为导体的电阻率(/m)；l为导体的长度(m)；S为导体横截面面积(m2)。圆导线和扁平导体条的直流电阻分别为(6-3)SlRDCalRDC和(6-4)式中：a为圆导线的半径(m)；w、t分别为扁平导体条的宽度和厚度(m)。由于集肤效应(Skin Effect)的影响，导体的高频交流电阻将远大于直流电阻。圆导线的高频(a)交流电阻为(6-5)式中，为集肤深度(Skin Depth)。wtlRDC)(222DCDCACfalfRRaRf/1图6-4 相对电阻与频率的关系扁平导体条的高频交流电阻
15、为(6-6)式中，K是宽度与厚度之比的函数。仔细分析式(6-5)和式(6-6)，不难发现，实心单导体的直流电阻与交流电阻的关系可以广义描述为(6-7)fRtwwtKtwfKlRDC1010AC10663)(210663fRKRDCAC上式表明，高频交流电阻与工作频率的平方根成正比。图6-4表示半径为0.6 mm、长为1 m的铜导线的高频交流电阻与直流电阻比对频率的依赖关系。经计算知，其直流电阻为15.25 m；频率为1 MHz时，高频交流电阻为115.34。6.3.2 导体电感导体电感 圆导线的直流内电感和高频交流内电感分别为(6-8)和(6-9)圆导线的外电感(la,c时，ISI1。即当频率
16、远大于屏蔽体的截止频率c时，流经屏蔽层的电流IS近似等于中心导线的电流I1。这也就是说，由于屏蔽体与中心导体之间的互感，使屏蔽体在高频时，能够提供一个比地面回路电感低得多的电流回路。这时ISI1，且方向相反。由这两个电流产生的屏蔽体外部的磁场相互抵消，使屏蔽层外部没有磁场存在，从而起到了防止磁辐射的作用。2c1S111II图6-21 屏蔽层一端接地，另一端与中心导线连接当c时，流经屏蔽层的返回电流IS很小，大部分返回电流IS将流经地面，所以这时屏蔽导线的磁屏蔽作用是很有限的。图6-21所示为将中心导线的一端与屏蔽层连接，并将屏蔽层的另一端接地。这样中心导体的返回电流就全部流经屏蔽层，所以这种接
17、地方法有很好的磁屏蔽效果。这种接地方法的磁屏蔽效果，不是由于屏蔽体的磁屏蔽性能，而是由于屏蔽体上的返回电流能够产生一个抵消中心导线磁场的磁场。综上可见，电缆屏蔽体两端接地的使用条件是：频率应远大于5倍屏蔽体的截止频率。屏蔽体上不会有其它回路电流流过。屏蔽体两端对地没有电位差。6.6.1 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，称为地电压。这是由于两接地点之间总有一定的阻抗，地电流流经接地公共阻抗，在其上产生了地电压，此地电压直接加到电路上形成共模干扰电压。例如，图6-22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
18、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，在回路中必须考虑接地面阻抗的存在。6.6 地回路干扰地回路干扰因此，在图中所示的干扰回路和被干扰回路之间存在一个公共阻抗Zi，该公共阻抗上存在的电压为UiZiI1ZiI2。对被干扰回路而言，ZiI1是电磁骚扰电压,而ZiI2是对负载电压降的分压，由于RL2|Zi|，因此，一般情况下ZiI2对负载电压降的影响可以忽略不计，仅考虑I1所引起的电磁骚扰电压对负载的作用。图6-22 公共阻抗引起的骚扰如果不考虑被干扰回路的电流I2在接地公共阻抗Zi上的作用，即令U20，则电路1中的电流I1在接地公共阻抗Zi上产生骚扰电压Ui，此电压降
19、使被干扰回路的负载RL2受到骚扰，其骚扰电压为(6-21)由此可知，被干扰回路的负载RL2受到的骚扰是电路1骚扰源U1的函数。)()(2L2g1L1g12LinRRRRURZU【例例】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Zi0.32；电路1发送定时脉冲，电压信号源幅度为5 V，频率为100 kHz；信号源的内阻为100；负载阻抗为10；被干扰回路的信号源内阻为100；负载端是内含传感器的显示装置，阻抗为100；显示器的灵敏度为1 mV。求被干扰回路的负载(显示装置)上可能受到的干扰电压值。【解解】根据公式(6-21)可知，负载(显示装置)上可能受到的干
20、扰电压值为可见，干扰电压Un的值远远大于显示器的灵敏度1 mV，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，必须给予公共地阻抗足够的重视。mV3.7)100100()10100(510032.0)()(2L2g1L1g12LinRRRRURZU6.6.2 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接地面，由于各种原因在接地面上总有接地电流通过，而金属接地板两点之间总存在一定的阻抗，因而产生接地干扰电压。可见，接地电流的存在是产生接地干扰的根源。接地电流产生的原因，主要有以下几种。(1)导电耦合引起接地电流。用电设备中的各级电路不可能总采用
21、一点接地，在许多情况下需要采用两点接地或多点接地，即通过两点或多点实现与接地面的连接，因此形成接地回路，接地电流将流过接地回路，如图6-23所示。图6-23 导电耦合的地电流回路 图6-24 接地电流回路(2)电容耦合形成接地电流。由于电路元件、器件、构件与接地面之间存在杂散电容(分布电容)，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。图6-24(a)表示导电耦合与电容耦合形成的接地回路，接地电流通过接地回路流动。图6-24(b)表示在阻抗元件的高电位和低电位两点上的分布电容所形成的接地回路，当该接地回路处于谐振状态时，接地电流将非常大。(3)电磁耦合形成感应电流
22、。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，只要有变化磁通通过壳体，就会产生感应电流。(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。图6-25 电磁波在传输线上形成的共模干扰当采用传输线连接的设备置于地面附近时，如图6-25所示，外界电磁场作用于传输线，使传输线上形成
23、共模干扰电压源，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。由上述分析可以看出，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，该共模干扰电压通过地回路作用到受害电路的输入端，形成地回路干扰。6.7.1 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6-26表示一个信号源与放大器连接的电路。如果信号源在A点接地，放大器在B点接地，则两接地点A、B之间存在地电位差UG。6.7 电路的接地点选择电路的接地点选择图6-26 放大器与信号源接地点的选择RC1和RC2为信号源与放大器连接导
24、线的电阻。由图可见，此时加至放大器输入端的电压为UNUSUG。为了剔除地电压的干扰，应采用一点接地。如果采用A点接地，而B点不接地，即放大器所用的电源不接地，此时需要使用差分放大器。通常比较方便的一点接地方式是选择B点接地，而A点不接地。在图6-26中，导线电阻RC1和RC2一般很小，通常在1以下，取RC1RC21。两接地点A、B之间存在的地电阻RG更小，比如取RG0.01。信号源的内阻RS一般为500。设放大器的输入阻抗为10k，图6-26所示电路的等效电路可用图6-27来表示。图6-27 信号源连接放大器的接地干扰分析因为RC2RC2RG，所以式(6-23)中的干扰电压值将大幅度降低，即信
25、号源与地隔离比放大器与地相连时，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(6-23)计算得，UN0.0095V。GG2CSG2CS1CLLNURRZRRRRRU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。6.7.2 多级电路接地点的选择多级电路接地点的选择 多级电路的接地点应选择在何处为宜？一般来说，电子设备中的低电平级电路是受干扰的电路，因此，接地点的选择也应使低电平级电路受干扰最小。图6-28所示的A、B、C三级电路，其电平关系为ABC。图6-2
26、8(a)为接地点o选择在靠近高电平级电路的c端；图6-28(b)为接地点o选择在靠近低电平级电路的a端。多级电路接地点的选择原则分析如下。图6-28 多级电路接地点的选择多级电路接地点选择在靠近高电平级电路端(图6-28(a)时，低电平级电路端a点的电位为Uao(RabjLab)Ia(RbcjLbc)(IaIb)(RcojLco)(IaIbIc)(6-24)式中，Rab、Rbc、Rco和Lab、Lbc、Lco分别表示ab、bc、co各段接地线的电阻及电感。接地点选择在靠近低电平级电路端时，低电平级电路a点的电位为Uao(RaojLao)(IaIbIc)(6-25)比较式(6-24)和式(6-2
27、5)可见，|Uao|Uao|。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，因为这时a点电位只受ao段地线阻抗的影响。因此得出结论,多级电路的接地点应选择在低电平级电路的输入端。6.7.3 谐振回路接地点的选择谐振回路接地点的选择 众所周知，并联谐振回路内部的电流是其外部电流的Q倍(Q为谐振回路的品质因数)。有时谐振回路内部的电流是非常大的，如果把谐振回路的电感L和电容C分别接地，如图6-29所示，由图可见，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。如果将谐振回路的电感L和电容C取一点接地，使谐振回路本身形成一个闭合回路，如图6-30所示，此时高频大电流
28、将不通过接地面，从而有效地抑制了地回路干扰。因此，谐振回路必须单点接地。图6-29 谐振回路的错误接地 图6-30 谐振回路的正确接地6.8.1 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，如图6-31所示。图中，电路1的输出信号经变压器耦合到电路2，而地回路则被变压器所阻隔。6.8 地回路干扰的抑制措施地回路干扰的抑制措施 图6-31 采用隔离变压器阻隔地回路 图6-32 隔离变压器阻隔地回路的等效电路但是，变压器绕组之间存在分布电容，通过此分布电容形成地回路的等效电路如图6-32所示。图中设输出电路的内阻为零，变压器绕组之间的分布电容为C，输入电路的输入电阻为
29、RL。在分析隔离变压器阻隔地回路的干扰时，根据电路分析的叠加原理，可以不考虑信号电压的传输，即将信号电压短路，只考虑地回路电压UG。由图6-32可见，由地回路电压UG产生的地回路电流为(6-26)式中：为地回路电压UG的角频率；I、UG分别为地回路电流、电压。地回路电流I在RL上产生的压降为(6-27)CRUIj1LGLLGNj1RCRUU将上式整理，得(6-28)因此(6-29)LGNj111CRUU2LGN111CRUU当没有采用隔离变压器，直接采用信号线传输时，干扰电压UG全部加到RL上，而采用隔离变压器后加到RL上的电压为UN。所以，式(6-29)表示隔离变压器抑制地回路干扰的能力。|
30、UN/UG|越小，抑制干扰的能力就越大。由式(6-29)可知，当CRL1时，|UN/UG|1。所以，要提高隔离变压器的抗干扰能力，有效的办法是减小变压器绕组间的分布电容C(因为是无法改变的，而减小负载电阻RL会影响信号的传输)。如在变压器之间加一电屏蔽(见图6-32)就可以有效地减小绕组之间的分布电容C，从而有效地阻隔了地回路的干扰。为了防止地回路电压UG通过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，电屏蔽层应接至负载RL的接地端。必须指出，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有很好的抑制能力。同时，电路中的信号电流
31、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。6.8.2 纵向扼流圈纵向扼流圈 当传输的信号中有直流分量或很低的频率分量时，就不能用隔离变压器，因为隔离变压器使直流和低频信号无法通过。图6-33所示的纵向扼流圈(Longitudinal Choke)(或称为中和变压器(Neutralizing Transformer)，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。图6-33 采用纵向扼流圈阻隔地回路纵向扼流圈是由两个绕向相同、匝数相同的绕组所构成，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，称为异模电流，产生的磁场相互抵消，呈现低阻抗。所以
32、，扼流圈对信号电流不起扼流作用，并且不切断直流回路。地线中的干扰电流流经两个绕组的方向相同，称为共模电流，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，起到抑制地回路干扰的作用。图6-33(a)的电路性能可用图6-33(b)的等效电路加以分析。在图6-33(b)中，信号源电压US通过纵向扼流圈并经连接线电阻RC1、RC2接至负载RL。纵向扼流圈可用电感L1、L2及互感M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L1L2M。UG是地电位差或地线环路经磁耦合形成的地回路电压(此处称为纵向电压)。首先分析纵向扼流圈对信号电压US的影响。此时可暂不考虑UG。因RC1与R
33、L串联，且RC1RL,故RC1可忽略不计。这样，图6-33(b)的等效电路可简化为图6-34的形式。图6-34 纵向扼流圈对信号电压US的影响信号电流IS流经负载RL后就分成两路：一部分(IG)直接入地，另一部分(ISIG)流经RC2、L2后入地。由流经RC2、L2入地的回路可得(SIG)(RC2jL2)ISjM0(6-30)用ML2L代入上式并经整理得2CSGj1RLII或(6-31)式中，取LRC2时的角频率为c,即(6-32)2cS22CS11IRLIIGLR2Ccc称为扼流圈的截止角频率。当c时,|IG|0.707|S|；当c时，只有小部分信号流经地线。一般认为，当5c时，IG0，这时
34、绝大部分信号电流经RC2、2入地。根据图6-34中上面的回路，可列出方程：USIS(jL1RLjM)(ISIG)(C2jL2jM)(6-33)用ML1L2代入上式并经整理得(6-34)因为RC2L，且当5c时，IG0，所以，式(6-34)可简化为(6-35)2CL2CGSSRRRIUILSSRUI 图图6-35 纵向扼流圈对地回路电压纵向扼流圈对地回路电压UG的影响的影响上式说明，流经负载RL的信号电流IS相当于没有接入纵向扼流圈时的电流。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。现在再分析纵向扼流圈对地回路电压UG的抑制作用。此时可不考
35、虑信号电压(即将US短路)，等效电路如图6-35所示。未加扼流圈时，地回路干扰电压UG全部加到RL上。加扼流圈后，流经扼流圈两个绕组的干扰电流分别为I1、I2，在负载RL上的干扰电压UNI1RL。由I1回路得UGjL1I1jMI21RL(6-36)由I2回路得UGjL2I2jMI1I2RC2(6-37)由式(6-37)得(6-38)2C21G2jjRLMIUI因ML1L2L,将式(6-38)代入式(6-36)得(6-39)由UNI1RL,RC2RL，可知RC2LRL，所以，式(6-39)可写为(6-40)2CL2CL2CG1)(jRRRRLRUI2C2CGNjRLRUU或(6-41)或(6-4
36、2)设为扼流圈的截止角频率，则有(6-43)2CGNj11RLUU22CGN11RLUU2cGN11UULR2Cc由式(6-43)可得，当5c时,|UN/UG|0.197。可见，扼流圈能很好地抑制地回路的干扰。干扰的角频率愈高，扼流圈的电感L愈大，扼流圈的绕组及导线的电阻RC2愈小，则抑制干扰的效果愈好。为此，扼流圈的电感应具有如下关系：注意:纵向扼流圈的铁芯截面应足够大，以便当有一定数量的不平衡直流流通时不致发生饱和。2CRL 6.8.3 光电耦合器光电耦合器 切断两电路之间的地回路的另一种方法是采用光电耦合器。光电耦合器的原理图如图6-36所示。发光二极管发光的强弱随电路1输出信号电流的变
37、化而变化。强弱变化的光使光电晶体管(或光敏电阻)产生相应变化的电流，作为电路2的输入信号。将这两种器件封装在一起就构成光电耦合器。光电耦合器完全切断了两个电路的地回路。这样，两个电路的地电位即使不同，也不会造成干扰。图6-36 用于切断地回路的光电耦合器光电耦合对数字电路特别适用。在模拟电路中，由于电流与光强的线性关系较差，在传输模拟信号时会产生较大的非线性失真，故光电耦合器的使用受到限制。6.8.4 差分平衡电路差分平衡电路 差分平衡电路有助于减小接地电路干扰的影响。因为差分器件是按照加于电路两输入端的电压差值工作的。当两输入端对地平衡时，即为平衡差分器件。图6-37为一平衡差分器件示意图。
38、输入电压US是差分器件响应的电压。地电压(干扰电压)UG同时加于两输入端，相应的噪声电流(以2ig表示)等量地加于两输入端。这是由于电路是平衡的，每一输入端(如图中A、B点)对地具有完全相同的阻抗。所以，总的输入干扰恰好相互抵消。这说明差分器件对地电路信号不发生响应。从理论上讲，外界干扰电压被抵消掉(这里假定US的内阻为零)。图6-37 平衡差分器件示意图实际上，在差分器件或相关的整个电路中，总会存在某些不平衡，此时，干扰电压UG中的一部分将作为差分电压出现在等效电阻R上。这里的R表示A端和B端对地的漏电阻之差，即RRARB(当平衡时R0)。由于不平衡所引起的UG的一部分UG将出现在差分器件的
39、输入端。图6-38(a)给出了最简单的差分放大器电路，图6-38(b)为计算其接地干扰的等效电路。图6-38 差分放大器图6-38中UG为地干扰电压，放大器含有两个输入电压U1与U2，输出电压为UoA(U1U2)式中,A为放大器的增益。当负载RL远大于接地电阻RG时，由等效电路图6-38(b)可得UG在放大器输入端引起的干扰电压为(6-44)由上式可见，若信号源内阻RS相对很小，且阻抗平衡，即RL1L2，RC1RC2则UN0。GURRRRRRRUUU2C2L2LS1C1L1L21N当放大器输入阻抗RL1与RL2增加时，可使UN减小。例如在图6-38中，设UG100 mV，RG0.01，RS50
40、0，RC1RC21。若RL1RL210 k，由式(6-44)可算出UN4.76 mV。如果RL1与L2为100 k而不是10k，则由式(6-44)得UN0.5 mV，此时，UN几乎减少20 dB。图6-39给出了差分电路减小UN的改进电路。图中接入电阻R用以提高放大器的输入阻抗，以减少地干扰电压UG的影响，但没有增加信号US的输入阻抗。计算图6-39(a)接地干扰的等效电路如图6-39(b)所示，设RAB为图中A、B两点间的电阻，RG为接地电阻，一般有RG(RRAB)，此时UG在放大器输入端引起的噪声电压为(6-45)ABURRRRRRRUUU2C2L2LS1C1L1L21N式中，UAB为UG在图中A、B两点产生的电压：(6-46)由于UABUG，因此，由式(6-45)计算所得到的UN将小于由式(6-44)计算所得到的UN。而对信号US而言，并没有增加输入阻抗。GGURRRRUABABAB图6-39 差分放大器的改进电路
