ADI AN347屏蔽与接地连接真实和虚拟的世界.docx

ADI AN347屏蔽与接地连接真实和虚拟的世界.docx

《ADI AN347屏蔽与接地连接真实和虚拟的世界.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ADI AN347屏蔽与接地连接真实和虚拟的世界.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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

0

推荐

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,withdo’sanddon’ts.

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