3 接地技术

接地是为了泄放电荷或建立电路基准电平而设置的一种导线连接。在电子电气设备或系统中，接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要方法，在设计中如能把接地和屏蔽正确地配合使用，将对电子设备的电磁兼容性起到重要作用。

3.1 基本概念

3.1.1 接地功能

接地是电子电气设备（系统）的重要组成部分，通常要完成以下几个方面的功能：
① 接地往往被视同良好的导电表面，导电表面的电位被看作是零电位，并作为各种电压信号的比较基准。
② 接地表面可用来作为各种信号电路返回电流的回流通道，接地平面也可作为电源回路的一部分。即一方面作为零电位基准，一方面又作为电源的强电流返回通道。
③ 接地用来配合各种屏蔽的系统功能，用来容纳来自各种频率产生的干扰电流所需的电流通道。
④ 接地用来作为零电位基准，用来连接裸露的设备金属外壳以保护操作人员不受到伤害。
但是接地系统是一个十分复杂的技术，与电气、电子系统的具体结构有关系，与所要防护或工作的电流频率、波形有密切关系，与构成“地”的材质和电磁特性有关，更与接地元件及工艺有关。在各种行业中都有针对接地的规范。本章不准备探讨这方面的问题，下面将讨论由于接地不当而产生的电磁干扰问题。

3.1.2 接地产生的电磁干扰

①接地引入干扰的第一个原因是由于接地回路难以孤立完成，至少要有连接导线和导电平面。当接地平面上有来自不同源的电流流过时，由于接地回路存在阻抗就会产生电压降，此电压降与接地回路上的电流成正比。这个电压就是造成干扰的干扰电动势。通常称它为公共阻抗效应。

②接地引入干扰的第二个原因就是接地回路本身，因为在外界电磁波的作用下接地回路会产生感应干扰电动势。
总之，接地母线电阻越大，接地回路的面积越大，接地导线的复阻抗越大，那么接地回路产生的干扰就越大。为了避免由接地回路引入干扰，应遵守以下几个原则。

3.1.3 接地应遵守的原则

① 接地导线及公共母线的阻抗应该是最小的。接地导线应具有最小的有功阻抗和有最小的自感。接地导线的长度应尽量地短，要比波长小得多。在实际设计中通常要求接地导线的长度le<<                  0.02λ。
② 接地导线应采用横截面为管形的接地线。管形接地线同其它具有同样截面积的导线相比，具有最小的阻抗。
③ 接地线的电气连接质量非常重要。因此，首先要保证接地连接点有最小的接触电阻。其次，要确保在气候以及机械振动的影响下仍能可靠地接触。再次，应该防止连接点处形成氧化层，避免产生非线性效应。最后，为防止腐蚀产生，连接材料要相互配合好。在布线时应尽量避免利用公共导线。
④ 接地方式
最典型的有单点串联接地，一点并联接地和各点接地几种方式。
单点串联接地最简单但干扰电平最大。干扰的大小取决于沿接地电路公共段流过的电流。一点并联接地克服了单点串联接地的缺点，但相应地接地导线长度会增加不少，就难以保证接地段的低阻抗，同时由于接地导线间的电磁耦合，也会增加干扰。多点接地可以最短的导线接地所以没有上述缺点，但是容易形成接地回路，在这种情况下的接地回路效应很大，会由于接地回路面积大而引入很大的电感耦合型干扰，所以必须采取专门的措施来消除。实际的接地方案要综合考虑所有的因素和效果，通常在低频时多用单点接地；而在高频时倾向于采用多点接地。基于低频屏蔽的电流对消原理，用作电源电路返回电流用的接地线，和用作信号电路返回电流用的接地线要各自采用独立的地线。

3.2 耦合途径

3.2.1 公共地阻抗耦合

将涉及到有电流流过的公共阻抗。如电源输出阻抗的公共回线、地平面或安全接地线所产生的电压耦合。这种耦合导致产生共模电压和共模电流并流入电路的信号电缆。共模电压在受害负载输入端，部分转化为差模电压。

图3.2说明，由地电流Ig流过地阻抗Zg时产生共模电压Vi的过程，此时Vi=IgZg。若按所示的电路接地（也就是纽子开关闭合），使信号参考点C连接到1号机箱的机壳B，和负载参考点F连接至2号机箱的机壳G，则在该电路的C与F点之间出现电压Vi。此电压Vi对信号电缆的两根线是“公共的”，从而引起I1与I2电流在两条信号线路中流动。由于I1与I2流过路径的阻抗不相等，正是由于阻抗的不平衡在负载两端上产生了共模电压V0。V0/Vi之比被称为地回路耦合。

3.2.2 电磁场耦合到小型回路的数学模型

关于电磁波的物理概念可以简述如下：众所周知所有电磁波都由电场和磁场这两个基本分量组成，波的传播方向垂直于这两个分量所在的平面，电场E和磁场H之间的相对幅度取决于电磁波离源的距离和源本身的性质，E/H之比称作波阻抗ZW。如果源包含的电流比电压大，如由环、变压器、或电源线产生的源，这种源称作电流的、磁场的、或低阻源即E/H很小，所产生的波称作磁场；反之如果源工作在很少的电流而电压较高时，源的阻抗就高，这种源称作电压的，所产生的波称作电场。但当离源的距里较远之后，无论源的性质如何，E/H之比趋于一个常数377Ω，出现这种情况，电磁波被称作平面波，超过这一点，所有的波都将失去它们的原有外形，不再是球形表面而变成一个平面，这时的场称作远场；反之称作近场。