地線干擾與地線設計
地線設計是電磁兼容設計中大家都很注意，卻又不知道應該怎樣去做的一個問題。瞭解了地線造成干擾問題的機理之後，在設計和實施地線時就有了一個明確的思路。
1、什麼是地線？
地線有安全地和信號地兩種。前者是為了保證人身安全、設備安全而設置的地線，後者是為了保證電路正確工作所設置的地線。造成電路干擾現象的主要是信號地，因此這裡僅討論信號地的問題。
信號地的一般定義是：電路的電位參考點。
更恰當地說，這個定義是我們設計電路時的一個假設。從這個定義是無法分析和理解一些地線干擾問題的。從現在開始，我們在分析電磁兼容問題時，使用下面的定義。
地線是信號電流流回信號源的地阻抗路徑。
既然地線是電流的一個路徑，那麼根據歐姆定律，地線上是有電壓的；既然地線上有電壓，說明地線不是一個等電位體。這樣，我們在設計電路時，關於地線電位一定的假設就不再成立，因此電路會出現各種錯誤。這就是地線干擾的實質。
2、地線的阻抗有多大？
一個難以理解的問題是，我們在設計地線時，都使地線的電阻很小，那麼地線上的電位差怎麼會大到導致電路出錯的程度。理解這個問題，要理解地線阻抗的組成。
地線的阻抗Z由電阻部分和感抗部分兩部分組成，即：Z = RAC + jωL。
電阻成分：導體的電阻分為直流電阻RDC和交流電阻RAC。對於交流電流，由於趨膚效應，電流集中在導體的表面，導致實際電流截面減小，電阻增加，直流電阻和交流電阻的關係如下：
RAC= 0.076rf1/2RDC
式中：r=導線的半徑，單位cm，f=流過導線的電流頻率，單位Hz， RDC= 導線的直流電阻，單位Ω。
電感成分：任何導體都有內電感（這區別於通常講的外電感，外電感是導體所包圍的面積的函數），內電感與導體所包圍的面積無關。對於圓截面導體如下：
L=0.2S[ln(4.5/d) -1] （μH）
式中S=導體長度(m)，d=導體直徑(m)
表1：說明了直流電阻與交流阻抗的巨大差異。頻率很低時的阻抗可以認為是導體的電阻，從表中可以看出，隨著頻率升高，阻抗增加很快，當頻率達到100MHz以上時，直徑6.5mm長度僅為10cm的導線也有數十歐姆的阻抗。
圖1
表1 ：不同直徑、長度的導線的阻抗
3、地環路干擾及對策
地環路干擾是一種較常見的干擾現象,常常發生在通過較長電纜連接的相距較遠的設備之間。其產生的內在原因是設備之間的地線電位差。地線電壓導致了地環路電流，由於電路的非平衡性，地環路電流導致對電路造成影響的差模干擾電壓（圖1）。
由於地環路干擾是由地環路電流導致的，因此在實踐中，有時會發現，當將一個設備的地線斷開時，干擾現象消失，這是因為地線斷開時，切斷了地環路。這種現象往往發生在干擾頻率較低的場合，當干擾頻率高時，短開地線與否關係不大。
地環路干擾形成的原因1：兩個設備的地電位不同，形成地電壓，在這個電壓的驅動下，"設備1-互聯電纜-設備2- 地"形成的環路之間有電流流動。由於電路的不平衡性，每根導線上的電流不同，因此會產生差模電壓，對電路造成干擾。地線上的電壓是由於其他功率較大的設備也用這段地線，在地線中引起較強電流，而地線又有較大阻抗產生的。
地環路干擾形成的原因2：由於互聯設備處在較強的電磁場中，電磁場在"設備1 - 互聯電纜 - 設備2 - 地"形成的環路中感應出環路電流，與原因1的過程一樣導致干擾。
解決地環路干擾的方法：解決地環路干擾的基本思路有三個：一個是減小地線的阻抗，從而減小干擾電壓，但是這對第二種原因導致的地環路沒有效果。另一個是增加地環路的阻抗，從而減小地環路電流。當阻抗無限大時，實際是將地環路切斷，即消除了地環路。例如將一端的設備浮地、或將線路板與機箱斷開等是直接的方法。但出於靜電防護或安全的考慮，這種直接的方法在實踐中往往是不允許的。更實用的方法是使用隔離變壓器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡電路等方法。第三個方法是改變接地結構，將一個機箱的地線連接到另一個機箱上，通過另一個機箱接地，這就是單點接地的概念。
4、公共阻抗耦合及對策
當兩個電路的地電流流過一個公共阻抗時，就發生了公共阻抗耦合，如圖2(a) 所示。
圖2
一個電路的地電位會受到另一個電路工作狀態的影響，即一個電路的地電位受另一個電路的地電流的調製，另一個電路的信號就耦合進了前一個電路。
放大器級間公共地線耦合問題：圖2(a) 中的放大器，由於前置放大電路與功率放大電路共用一段地線，功率放大電路的地線電流很大，因此在地線上產生了較大的地線電壓V。這個電壓正好在前置放大電路的輸入迴路中，如果滿足一定的相位關係，就形成了正反饋，造成放大器自激。
解決辦法：可以有兩個解決辦法，一個是將電源的位置改變一下，使它靠近功率放大電路，這樣，就不會有較大的地線電壓落在前置放大電路的輸入迴路中了，如圖2 (b) 所示。另一個辦法是功率放大電路單獨通過一根地線連接到電源，這實際是改成了並聯單點接地結構，如圖2 (d) 所示。
5、接地策略
圖3
信號地有圖3所示的幾種方式。
單點接地：所有電路的地線接到公共地線的同一點，進一步可分為串聯單點接地和並聯單點接地。最大好處是沒有地環路，相對簡單。但地線往往過長，導致地線阻抗過大。
多點接地：所有電路的地線就近接地，地線很短，適合高頻接地。問題是存在地環路。
混合接地：在地線系統內使用電感、電容連接，利用電感、電容器件在不同頻率下有不同阻抗的特性，使地線系統在不同的頻率具有不同的接地結構。
串聯單點接地容易產生公共阻抗耦合的問題，解決的方法是採用並聯單點接地。但是並聯單點接地往往由於地線過多，而沒有可實現性。因此，靈活的方案是，將電路按照信號特性分組，相互不會產生干擾的電路放在一組，一組內的電路採用串聯單點接地，不同組的電路採用並聯單點接地。
如圖4：所示。這樣，既解決了公共阻抗耦合的問題，又避免了地線過多的問題。
圖4
閱讀更多 弱電技術分享 的文章
