电路设计中的接地技术

1 引言

在电路设计中,接地的重要性众所周知。电子产品中的很多问题其实都和地的处理密切相关，比如小信号系统中的噪声和干扰问题，大信号系统中的辐射杂散和稳定问题等等，都是地没有处理好。本文对常用的接地方法进行分析,希望避免我们曾经在此方面带来的损失。

2 干扰的产生

通过一个实例来分析地线是如何干扰电路工作的。

系统A、系统B和系统C有一个公共回路R，假设系统C是干扰源回路，噪声电流I3产生干扰电压I3R，从而影响了系统A和系统B。

图 1 电路中干扰的产生

在图1中，设E=24V，R1=R2=3Ω，R=2Ω，R3可变。当R3=3Ω时，容易求得电路的总电阻为:

总电流为8A, R1、R2上流过的电流均为2.6A。当R3 = 6Ω时，可计算R 1、R 2上流过的电流均为3A。这说明系统C的负载变化或电流变化, 会给系统A和系统B产生影响，使流经R 1、R 2的电流从2.6A变为3A。这种变化的原因是，三个支路有一个公共回路R, 系统C的变化使系统A和系统B也发生了变化。如果系统C是干扰源, 则系统A和系统B就受到了干扰。

3 干扰的判断

碰到干扰问题，首先要弄清楚干扰的频率，其次是判断干扰源在那里。通过频谱仪或者示波器等仪器可以进行测量。干扰的判断方法有：

① 通过检测接地阻抗、环路电流和地电压等参数;

② 用频谱仪可以测量干扰源。先制作一个探头，在同轴电缆的末端焊接一个导线环，又称之为近场探头。环与同轴电缆连接，同轴电缆前接一个前置放大器后接频谱仪输入端。将频谱仪做接收机用，可以寻找在特定的频率区域内主要干扰源的位置和大小。

由实际测试和理论分析得到：地线干扰的形成主要有地环路干扰和公共阻抗干扰两种。所谓地环路干扰就是地线电压导致地环路电流，每个支路上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成干扰。另外，由于设备处在较强的电磁场中，形成的环路中感应出环路电流，也会造成这种情况。所谓公共阻抗干扰，就是当两个电路共用一段地线时，在地线阻抗的作用下，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制，从而造成相互干扰。

4 地线干扰抑制

对于地线干扰的抑制常采取的方法，就是使用适宜的接地结构，采取隔离、屏蔽、去耦与滤波等行之有效的措施。

4.1 接地结构

所谓接地结构，就是接地方式。常见的接地方式有：

① 各支路或设备不直接接地，使所有过程环路连接后接地，即只有一个接地点，没有回路;

② 使接地点的电势相等，减小地线的阻抗，从而减小干扰电压;

③ 在环路中使用信号隔离或采用隔离器，在不影响信号正常传输下断开环路。

4.2 信号隔离

信号地线间的隔离，在实际中的作用非常的重要。如果干扰信号主要是高频信号，只要采用低通滤波技术，如一阶或二阶的阻容滤波就可有效地隔离高频。但如果两个信号的地线之间电位不相等时，就只有采用信号隔离器进行信号之间的地线隔离。

5 接地方式

根据实际工作环境、工作频率、接地结构等要求，选择合理的接地方式。常见的接地方式有：悬浮接地、单点接地、多点接地等。

5 .1 悬浮接地

电路没有参考地电平，电路本身有独立的零电位，这个接地就称为悬浮接地。由于其独立性，可以避免与其他电路之间的噪声、电磁干扰等，但静电电荷无法有效释放。因此，悬浮接地只适用于一些低频电子设备，常用在无电源变压器的电路中。

5 .2 单点接地

单点接地，就是把各回路的接地线集中于一点接地。它们各自的电位只与自身的接地电阻和地电流相关，互不干扰。实际中，经常采用公共母线的方式实现单点接地。在通常情况下，只是在电源供电处才一点相接。各回路各自独立地接地，这样可以保证各系统有统一的地电位，又可避免地线形成公共阻抗，整个接地通道中不存在环回路，避免了因外界磁场产生的地环电流干扰，可以改善电路的性能。

5 .3 多点接地

对于高频系统的信号地线常采取就近接地，称多点接地;同时用短而粗的导线作为连接线，以减少接地阻抗。目的是防止因地线电感及电容引起的干扰，但由于接地点之间存在电位差，会造成共模噪声较大，不适合低频工作。在多点接地方式的多级电路中，必须按照地线电流由小信号单元流向大信号单元的排列顺序接地，否则会引起干扰。

5 .4 实际电路中的接地

在实际工作中，会遇到许多复杂的情况，如A/D转换器的接地、屏蔽线的接地、PCB板的接地等，具体处理方式分析如下。

5 .4.1　模数电路的接地

数字信号电流比较强,而且都是一些高电平、低电平的跳变，所以数字地上有很大的噪声和电流尖峰;而模拟信号电流较弱。所以，模数、数模转换电路中要特别注意地线的正确连接，否则干扰会很严重，以