ADI AN347屏蔽与接地连接真实和虚拟的世界.docx
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ADIAN347屏蔽与接地连接真实和虚拟的世界
ADI AN-347屏蔽与接地--连接真实和虚拟的世界
ADIAN-347屏蔽与接地
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作者:
AlanRich
译者:
akaer
屏蔽与接地
对干扰型噪声的处理方法及其原理正文:
[001]
Thisisthesecondoftwoarticlesdealingwithinterferencenoise.InthelastissueofAnalogDialogue(Vol.16,No.3,pp.16-19),wediscussedthenatureofinterference,describedtherelationshipbetweensources,couplingchannels,andreceivers,andconsideredmeansofcombatinginterferenceinsystemsbyreducingoreliminatingoneofthosethreeelements.
本文是关于干扰型噪声处理方法的两篇论文的第2篇。
第一篇已发表在《AnalogDialogue》上(见该杂志第16卷第3部分16至19页),该文剖析了干扰源、干扰耦合路径以及干扰接收方三个环节间的关系,并从选择三个环节中的某一个加以治理的角度,介绍了对付干扰型噪声的方法。
[002]
Oneofthemeansofreducingnoisecouplingisshielding.Ourpurposeinthisarticleistodescribethecorrectusesofshieldingtoreducenoise.Themajortopicswewilldiscussincludenoiseduetocapacitivecoupling,noiseduetomagneticcoupling,anddrivenshieldsandguards.Asetofguidelineswillbeincluded,withdosanddonts.
屏蔽技术可以降低信号传输时耦合进来的噪声。
本文的主体是介绍如何正确地利用屏蔽来降低噪声,接下来将从电容耦合噪声、磁耦合噪声和有源屏蔽与防护罩三个方面分别展开论述,同时将给出几套设计准则,指明哪些该做,哪些不该做。
[003]
Fromtheoutset,itshouldbenotedthatshieldingproblemsarealwaysrationalanddonotinvolvetheoccult;buttheyarenotalwaysstraightforward.Eachproblemmustbeanalyzedcarefully.Itisimportantfirsttoidentifythenoisesource,thereceiver,andthecouplingmedium.Impropershieldingandgrounding,basedonfaultyidentificationofanyoftheseelements,mayonlymakemattersworseorcreateanewproblem.
首先需要明确:
虽然屏蔽设计总是可以借助理论来进行,并不神秘,但是,在处理实际问题时不能生搬硬套,而要注意具体问题要具体分析。
分析的第一步最重要,即确定噪声源、接收方和耦合介质。
这一步如果判断错误,屏蔽和接地设计就会出错,最后的效果可能适得其反,甚至节外生枝。
[004]
Youcanthinkofshieldingasservingtwopurposes.First,shieldingcanbeusedtoconfinenoisetoasmallregion;thiswillpreventnoisefromextendingitsreachandgettingintoanearbycriticalcircuit.However,theproblemwithsuchshieldsisthatnoisecapturedbytheshieldcanstillcauseproblemsifthereturnpaththenoisetakesisnotcarefullyplannedandimplementedbyunderstandingofthegroundsystemandmakingtheconnectionscorrectly.
屏蔽的作用可以从两方面来理解。
第一,对于系统外的噪声,屏蔽体可以将其限制在一个有限的区域内,从而避免其扩散并影响其周围的重要电路。
不过,如果噪声信号的泄放路径设计不当、接地错误、或者电气连接不可靠,屏蔽体上的噪声仍然会对系统产生不利影响。
[005]
Second,ifnoiseispresentinasystem,shieldscanbeplacedaroundcriticalcircuitstopreventthenoisefromgettingintosensitiveportionsofthecircuits.Theseshieldscanconsistofmetalboxesaroundcircuitregionsorcableswithshieldsaroundthecenterconductors.Again,whereandhowtheshieldsareconnectedisimportant.
第二,对于系统内的噪声,可以对敏感电路实施局部屏蔽,以避免噪声的侵入。
用金属盒子把电路包起来,以及电缆芯线的金属包层都是这方面的实例。
同理,屏蔽层的电气连接也是至关重要的。
[006]
Ifthenoiseresultsfromanelectricfield,ashieldworksbecauseacharge,Q2,resultingfromanexternalpotential,V1,cannotexistontheinteriorofaclosedconductingsurface(Figure1).
电场理论指出:
外部电荷源V1在封闭导体内感应出电荷Q2,Q2的电量为0。
这就是屏蔽的原理(如图1)。
Figure1.ChargeQ1cannotcreatechargeinsideaclosedmetalshell
图1电荷Q1无法在封闭导体内感应电荷[007]
Couplingbymutual,orstray,capacitancecanbemodeledbythecircuitofFigure2.Here,Vnisanoisesource(switchingtransistor,TTLgate,etc.),Csisthestraycapacitance,Zistheimpedanceofareceiver(forexample,abypassresistorconnectedbetweentheinputofahigh-gainamplifierandground),andVnoistheoutputnoisedevelopedacrossZ.
由于介质之间的相互作用也就是寄生效应,电容性介质可以等效为图2所示的电路模型。
图中Vn表示噪声源(如开关模式工作的晶体管、TTL门电路等),Cs表示寄生电容,Z表示负载阻抗(如高增益放大器输入端与地之间的旁路电阻),Von表示加在Z上的输出噪声电压。
Figure2.Equivalentcircuitofcapacitivecouplingbetweenasourceandanearbyimpedance
图2干扰源与负载间电容耦合干扰的等效电路[008]
Anoisecurrent,In=Vn/(Z+Zcs,),willresult,producinganoisevoltage,Vno=Vn/(1+Zcs/Z).Forexample,ifCs=2.5pF,Z=10k(resistive),andVn=l00mVat1.3MHz,theoutputnoisewillbe20mV(0.2%of10V,i.e.,8LSBsof12bits).
该回路中的噪声电流In=Vn/(Z+Zcs),在负载Z上产生的噪声电压Vno=Vn/(1+Zcs/Z)。
如果Cs=2.5pF,Z=10k欧,频率1.3MHz时的噪声电压Vn=100mV,则输出噪声为20mV(等于10V满摆幅的0.2%,对于12位模数变换器而言,相当于8LSB的误差)。
[009]
Itisimportanttorecognizetheeffectthatverysmallamountsofstraycapacitancewillhaveonsensitivecircuits.Thisbecomesincreasinglycriticalassystemsarebeingdesignedtocombinecircuitsoperatingatlowerpower(implyinghigherimpedancelevels),higherspeed(implyinglowernodalstraycapacitance,fasteredges,andhigherfrequencies),andhigherresolution(muchlessoutputnoisepermitted).
一定要记住:
即使是很小的寄生电容,也会对敏感电路产生影响。
当今的电子系统常常包含着低功耗(意味着阻抗更高)、高速度(节点寄生电容更小、信号边沿更陡峭、信号频率更高)和高分辨力(噪声容限更小)等电路,因此这个问题尤其应该引起重视。
[译者疑虑]什么是nodalstraycapacitance?
是指PCB过孔的分布参数,还是另有所指?
[010]
Whenashieldisadded,thechangetothesituationofFigure2isexemplifiedbythecircuitmodelofFigure3.Withtheassumptionthattheshieldhaszeroimpedance,thenoisecurrentinloopA-B-D-AwillbeVn/Zcs1,butthenoisecurrentinloopD-B-C-Dwillbezero,sincethereisnodrivingsourceinthatloop.And,sincenocurrentflows,therewillbenovoltagedevelopedacrossZ.Thesensitivecircuithasthusbeenshieldedfromthenoisesource,Vn.
对图2的电路实施屏蔽后,其等效电路变为图3所示的样子。
设屏蔽体阻抗为零,则在环路A-B-D-A内流动的噪声电流为Vn/Zcs1,而在环路D-B-C-D内的噪声电流为0,这是因为该环路中没有信号源。
因为噪声电流为0,所以负载Z上的噪声电压为0。
这样一来,这部分电路就被屏蔽体保护了起来,不会受到噪声源Vn的影响。
Figure3.EquivalentcircuitofthesituationofFigure2,withashieldinterposedbetweenthesourceandtheimpedance.
图3图2的等效电路,干扰源与负载之间加入了屏蔽体
GuidelinesforApplyingElectrostaticShields
针对电场干扰实施屏蔽的准则[011]
◎Anelectrostaticshield,tobeeffective,shouldbeconnectedtothereferencepotentialofanycircuitrycontainedwithintheshield.Ifthesignalisearthedorgrounded(i.e.,connectedtoametalchassisorframe,and/ortoearth),theshieldmustbeearthedorgrounded.ButgroundingtheshieldisuselessIfthesignalisnotgrounded.
要发挥静电屏蔽体的作用,必须将其连接到所有被屏蔽电路的参考电位上。
如果某电路的参考电位是机壳或(和)大地——也就是说电路以金属支架或外壳的电位为电压的参考零点,该点可以接大地,也可以不接——则屏蔽体就必须连接机壳或(和)大地。
如果电路的参考电位不是大地,那么即便将屏蔽体接大地,也起不到屏蔽效果。
[译者注]本段中earthed译为“接机壳”(俗称搭铁、搭壳)、grounded译为“接大地”(就是地球)。
在不引起混淆的情况下,后文earthed译作“接地”。
[012]
◎Theshieldconductorofashieldedcableshouldbeconnectedtothereferencepotentialatthesignal-referencenode(Figure4).
电缆的屏蔽层必须单点连接到参考电位,连接点应尽量靠近信号源的参考电位。
[译者注]根据后文的论述,这里增加了“单点”的限定。
>>>>这个“限定”很精彩:
单点接地的原则很重要,有人想“好心”搞成电缆两头屏蔽层接地,结果会适得其反,务必留意。
----IC921Figure4.Groundingacableshield
图4电缆屏蔽层的接地方法[013]
◎Iftheshieldissplitintosections,asmightoccurifconnectorsRo2isthe13-ohmoutputimpedanceofthelogicgate,Cwsistheareused,theshieldforeachsegmentmustbetiedtothosefortheadjoiningsegments,andultimatelyconnected(only)tothesignal-referencenode(Figure5).
如果屏蔽体被隔断成多个部分——比如使用连接器的情况,那么应该将各部分首尾相接,然后单点连接到信号源的参考电位。
Figure5.Shieldsmustbeinterconnectedifinterrupted
图5隔断的屏蔽体必须连接起来[014]
◎Thenumberofseparateshieldsrequiredinasystemisequaltothenumberofindependentsignalsthatarebeingmeasured.Eachsignalshouldhaveitsownshield,withnoconnectionstoothershieldsinthesystem,unlesstheyshareacommonreferencepotential(signal"ground").Ifthereismorethanonesignalground(Figure6),eachshieldshouldbeconnectedtoitsownreferencepotential.
系统中需要测量的独立信号有多少,屏蔽体就要有多少,二者要一一对应。
每路信号都要有其专用的屏蔽体,除非多个信号源采用相同的参考电位(信号地),否则任何一个屏蔽体都不要与其他屏蔽体连接。
如果系统中有2个以上的信号地(如图6),那么各路信号的屏蔽体必须分别连接到相应信号的参考电位。
Figure6.Eachsignalshouldhaveitsownshieldconnectedtoitsownreferencepotential
图6多路信号应该使用各自的屏蔽体,各屏蔽体应连接到相应信号的参考电位[015]
◎Don'tconnectbothendsoftheshieldto"ground".Thepotentialdifferencebetweenthetwo"grounds"willcauseashieldcurrenttoflow(Figure7).Theshieldcurrentwillinduceanoisevoltageintothecenterconductorviamagneticcoupling.AnexampleofthiscanbefoundinPart1ofthisseries,AnalogDialogue16-3,page18,Figure10.
屏蔽体一定不要多点接“地”。
否则,由于多个“地”之间可能存在电位差,屏蔽体上将可能产生电流(如图7),由该电流激发的磁场会在屏蔽体内部感应出噪声电压。
在上一篇论文中就此举过一个例子(详见《AnalogDialogue》卷16第3部分第18页图10)。
Figure7.Don’tconnecttheshieldtogroundatmorethanonepoint
图7屏蔽体决不能多点接地
[译者疑虑]此处的ground是如前文特指“大地”?
还是指参考电位?
或者有更广泛的含义?
[016]
◎Don'tallowshieldcurrenttoexist(exceptasnotedlaterinthisarticle).Theshieldcurrentwillinduceavoltageinthecenter
conductor.
屏蔽体内决不能有电流(后文所述情况除外),因为该电流会在被屏蔽体保护的电路中激发感应电压。
[017]
◎Don'tallowtheshieldtobeatavoltagewithrespecttothereferencepotential(exceptinthecaseofaguardshield,tobedescribed).Theshieldvoltagewillcouplecapacitivelytothecenterconductor(orconductorsinamultiple-conductorshield).Withanoisevoltage,Vs,ontheshield,thesituationisasshowninFigure8.
屏蔽体与参考电位之间一定不能有电位差(本文后面所述的防护罩的情况除外)。
屏蔽体与参考电位之间的电位差通过电容性耦合,将在被屏蔽电路中形成干扰。
若屏蔽层对信号地的电压为Vs,此时的电路如图8所示。
Figure8.Don’tpermittheshieldtobeatapotentialwithrespecttothesignal
图8屏蔽体与参考电位之间一定不能有电位差[018]
ThefractionofVsappearingattheoutputwillbewhereV1istheopen-circuitsignalvoltage,Roisthesignal'ssourceimpedance,Cscisthecable'sshield-to-conductorcapacitance,andReqistheequivalentparallelresistanceofRoandRL.Forexample,ifVs=1Vat1.5MHz,Csc=200pF(10feetofcable),Ro=1000ohms,andRL=10k,theoutputnoisevoltagewillbe0.86volts.Thisisanoften-ignoredguideline;seriousnoiseproblemscanbecreatedbyinadvertentlyapplyingundesiredpotentialstotheshield.
因Vs产生的输出噪声电压Vo可由下式
(1)得到:
其中V1表示信号源开路电压,Ro是信号源的输出阻抗,Csc表示屏蔽体与被屏蔽电路间的容抗,Req表示Ro与负载RL的等效并联电阻。
假设频率为1.5MHz时Vs=1V,Csc=200pF(与10英尺长的电缆等效),Ro=1k欧,RL=10k欧,则由
(1)式计算得输出噪声电压为0.86V。
这条准则经常被忽视,而屏蔽体上的电压将会带来不小的麻烦。
[019]
◎Knowbycarefulstudyhowthenoisecurrentthatbasbeencapturedbytheshieldreturnsto"ground".Animproperlyreturnedshieldcancauseshieldvoltages,cancoupleintoothercircuits,orcoupleintoothershields.Theshieldreturnshouldbeasshortaspossibletominimizeinduc