針對地線擾動的一種地線電流自動補償方法

吳仕情 王 斌 金海彬 李小舟

(北京東方計量測試研究所，北京 100086)

1 引 言

理想情況下，地線是直流和交流阻抗均為零的實體導體，即使地線中流過電流，地線仍處處電位相等，任意兩點不產生電位差。但考慮實際電路中，由于地線阻抗的存在，地線電流形成干擾電壓，使信號傳輸出現偏差，這就是地線干擾，對電子器件的工作產生影響。電路中地線存在于信號系統參考地與大地之間、不同電路模塊信號基準地之間以及構成地環路干擾的設備與大地間等，在高精度測量中，地線問題尤為突出，地線中存在的直流電流及雜波電流帶來不可忽略的測量噪聲，會嚴重影響測試系統的測量準確度[1]。

實際電路中地線流經電流，當電流信號頻率為零時，地線的阻抗就是導線的電阻值(很小)，當信號電流頻率不為零時，就需要考慮地線電阻的交流特性。在模擬和數字混合電路中，由于數字信號含有豐富的高次諧波分量，地線呈現較大的阻抗，由此產生較高的電壓干擾信號，數字電路有時會因此發生誤動作，也給模擬電路帶來地電位變化和高頻干擾[2]，同時若低阻抗地線中流過不可忽略的直流電流和其他噪聲，特別是在模擬電路的輸入端及信號調理模塊的敏感區域，將直接引起輸出信號的直流偏差和噪聲干擾，難以滿足高精度儀器儀表的設計要求及高精度測量需求。本文針對高精度數模混合電路系統，為了解決地線電流通過地線阻抗形成差模電壓對高精度測量性能造成影響的問題，提出了一種地線電流自動補償方法。

2 地線干擾分析及抑制

一般情況下，地線干擾主要有地環路干擾和公共阻抗干擾[3]。不論是地環路的存在導致的地環路擾動還是公共阻抗中電流流過公共阻抗產生壓降引起的公共阻抗耦合均會對系統電路的正常工作產生影響，尤其在高精度信號系統電路設計中，這些影響將更加不可忽視，以下對地線的兩種干擾進行分析并給出抑制地線干擾的一系列措施方法。

2.1 地環路干擾

圖1 地環路干擾框圖Fig.1 The ground wire loop disturbance

在圖1的接地電路中，由地線引起的干擾稱為地環路干擾，因此處地線阻抗的存在，當不可忽略或較大電流流過地線時，將產生不可忽視的地線壓降，且電流越大，產生的地線壓降也就越大，對實際電路造成的影響也就越大。比如，對于圖1中兩互聯設備的最下方的地線，若附近的電氣設備正在工作且共用這段地線，那么若功率較大的電氣設備在啟動或運行時在地線中將產生較大的地線電流，由于電路不平衡性和不對稱性，在兩設備間互聯電纜的導線中產生的電流干擾是不同的，從而引起差模電壓干擾[4]，影響電路的正常工作。尤其在高精度測量設備的使用中，這種干擾對高精度測量結果的影響十分嚴重。此外，因為地環路的存在，外界的電磁感應也會產生地環路干擾。

2.2 公共阻抗干擾

當兩個甚至多個電子電路共用一段地線時，由于地線阻抗的存在，其中任何一個電路地線電位的變化均會受到其他電路影響，其影響大小由其他電路流過地線中的電流決定。即通過公共地線阻抗，電路間相互耦合相互影響，這種耦合也叫做公共阻抗耦合，示意電路如圖2(a)所示。地線阻抗Z的高頻等效模型如圖2(b)所示。

圖2 公共地線阻抗耦合電路示意圖Fig.2 Common ground wire impedance coupling circuit

易知，V0=(I1+I2)×Z。由于數字信號含有豐富的高次諧波分量，地線呈現較大的阻抗，在含有數字信號的電路中，地線所呈現的阻抗Z就會比較大，因而可能產生較大干擾電壓，影響其他數字電路的高低電平誤判，觸發誤動作，給高靈敏度測量電路帶來測量誤差。

2.3 地線干擾抑制措施

需采取對應措施來抑制地線干擾，以提高系統的穩定性和準確性，一般情況下，可通過隔離的方式來削弱地環路干擾，如變壓器隔離、光電耦合、共模扼流圈隔離、同軸電纜阻隔、放大器隔離以及設備浮地等；對于消除公共阻抗干擾，可選用高電導率的材料作為地線，增大地線橫截面積，以減小地線阻抗。或者通過單點接地、多點接地等方式削弱地線公共阻抗的干擾。總的來說，在電子電路設計中，為了抑制地線干擾通常采取以下措施[5]：選擇低功耗元器件、減少流經地線中的電流、縮減信號回路感應磁場噪聲的面積、在電路中加耦合濾波電容、加大地線的橫截面積、選擇合適的接地方式(如單點接地、多點接地和混合接地等)、各種隔離技術。

3 地線電流自動補償技術

傳統接地技術具有較好抑制地線干擾效果，且已被廣大的電子工程師熟練運用，如使用變壓器隔離和光電耦合等技術可以較好地避開地環路的形成、削弱地環路干擾并將輸入輸出隔離開，實現信號隔離并控制輸出。設備浮地雖可以斷開地環路，但不夠安全，且因設備對地的寄生電容，在高頻電流作用情況下，浮地效果也不好。同時為了減弱電路中公共阻抗耦合，首先可采用上述措施減小地線阻抗直接削弱耦合效果，其次可根據電路調整接地方式，如采用多點并聯接地或串并聯接地等，對于削弱地線阻抗有一定作用，但經常無法滿足超高精度測量需求，因為地線始終是存在的，阻抗也沒有變為零，因而地線干擾也不會完全消失，且地線中電流越大，干擾越大。而且在實際工程應用中，也發現信號調理電路的輸出電壓存在較大的直流誤差和頻譜很豐富的雜波噪聲，而且該直流誤差和噪聲具有不可預測的隨機性。經過分析和實驗發現，由于地線中存在直流電流和雜波電流，通過地線直流電阻和交流阻抗轉換成串模電壓信號，作用于信號調理電路的敏感區域，特別是電路的輸入端，從而造成信號調理電路直流誤差和噪聲。為了降低地線電流的影響，采取了地線銅箔加厚措施和并聯紫銅導線的措施，直流誤差和雜波噪聲都有所減小，但還是遠不能滿足高精度測量要求。所以針對高精度數模混合電路系統設計，為了解決地線電流通過地線阻抗形成差模電壓對高精度測量性能造成影響的問題，因僅采用傳統地線干擾抑制措施無法達成設計目的，提出了一種地線電流自動補償方法。

如圖3所示，AB之間的一段地線，理想的直流電阻或者交流阻抗均為零，即使在地線中存在直流或者交流電流IG，地線各處的電位仍處處相等，故有

V1=V2=V3=V4=…=Vn

(1)

圖3 理想地線示意圖Fig.3 Schematic diagram of ideal ground wire

在模擬和數字混合電路中，如圖4所示示例電路通常等效為如圖5所示電路，即忽略地線阻抗的影響。

圖4 示例電路框圖Fig.4 Example circuit

圖5 等效電路框圖Fig.5 Equivalent circuit

如圖6所示，實際的地線都存在直流電阻和交流阻抗，如Z1，Z2，Z3。當電流流經這段地線，將產生壓降，在電路的輸入和輸出端形成一個差模電壓信號(如VZ1，VZ2，VZ3)或者共模電壓信號(如VC1，VC2，VC3)。由于流經地線的電流是未知的、隨機的、直流的、交流的、脈動的，地線上的壓降也就呈現不可預測的特性。

圖6 地線阻抗影響電路圖Fig.6 Circuit of ground wire impendence influence

圖6中，Zi=Ri+jωXi，為復數電壓與復數電流之比，是一個復數，其中Ri為直流分量，ωXi為交流分量。阻抗大小為復數阻抗的模為

(2)

阻抗大小與頻率有關，頻率越高，地線阻抗越大。圖6所示電路中，由地線電流引入作用在轉換電路輸入端的誤差為

Δ=|(IG1·Z1)×k+IG2·Z2|

(3)

作用在數字電路輸入端的地線干擾串模電壓為

VZ3=IG3·Z3

(4)

從式(3)和式(4)可以看出，當地線壓降作用在一個模擬電路的輸入端或中間電路的敏感端時，將嚴重影響該模擬電路的工作特性，擾亂數字電路的正常工作時序和邏輯關系，成為模擬電路的誤差源和數字電路的干擾源。

一段電阻為10mΩ的地線,對于TTL數字電路信號該地線阻抗達到30Ω。如果這段地線接在圖6所示電路的信號調理輸入端，則有

Z1=0.01+j30

(5)

當在這段地線上流過10mA直流電流時，將產生100μV的直流測量誤差。可見，對于一個高靈敏度直流測量電路，地線電流對測量結果的影響很大。

在數字電路中，地線電流是一個頻譜很豐富的隨機雜波信號。當在圖6電路Z1中流過10mA這種隨機雜波電流信號時，將在輸入端產生300mV的噪聲干擾電壓，給測量帶來更大的誤差，或者導致信號調理電路飽和。當該電流流過圖6所示電路中的數字電路輸入端地線時，將在Z3兩端產生0.3V的隨機雜波電壓信號，超出數字電路的低電平容限，可能導致數字電路的時序和邏輯錯誤。

為此，如圖7所示，在地線上加入一個自動補償電流，其補償電流等于原來流經地線的電流，地線電流變化時補償電流自動變化，最終使得流經地線的電流為零。

圖7 地電流自動補償總體方案示意圖Fig.7 Overall plan of ground current automatic compensation

補償思路如圖8所示：當外電路經過A點注入電流IG時，在A點的電流源將其旁路引開電流，使該電流不再流入地線，流經AB間地線的電流為零，即使AB間地線阻抗Z不為零，兩端電壓仍為零。

圖8 地電流補償思路示意圖Fig.8 Ground current compensating method

補償的基本原理如圖9所示，在地線的A端接到放大器A1的反相輸入端，在放大器的反相輸入端和輸出端之間接一個負反饋電阻Rf，放大器的同相輸入端和地線B端一樣接入到地電平參考點。對于理想的運算放大器，VOS=0，地線A點電位為零，流過負反饋電阻Rf的電流等于IG，流經AB間地線的電流為零，地線電流得到自動補償。

圖9 地電流自動補償基本原理圖Fig.9 Basic schematic of ground current automatic compensation

為了對地線電流實現最大范圍的補償，需要根據被補償地電流IG的最大值IGMAX和放大器A1的最大輸出電壓VOMAX，確定負反饋電阻的阻值為

(6)

在實際電路中，因為放大器非理想特性，所以補償后的地線中仍然存在剩余電流，但由于放大器開環增益對數幅度可達120dB以上，所以補償后剩余地線電流是極小的。通過實驗對地線自動補償技術進行了驗證：一段地線，直流電阻為18mΩ,交流阻抗(@1MHz)為36Ω，被補償的地線直流電流IGMAX測量值98mA，噪聲電流測量值11mA，放大器A1的最大輸出電壓VOMAX=10V，運算放大器A1開環放大倍數Ad=2×106，自動補償后的地線阻抗為50μΩ,效果十分明顯。

引起放大器誤差的因素一般有失調電壓、失調電流及偏置電流、溫漂等，所以根據電路疊加原理來依次分析其中幾個因素對地電流補償后的A點電壓影響。根據圖9，在僅考慮放大器A1開環增益不是無窮大時，設為A(大小百萬量級)，地線的A端接到放大器A1的反相輸入端處電壓為VOS，放大器輸出電位為VO，有

(7)

令

可以得到系統的結構框圖如圖10所示。

圖10 地電流自動補償結構框圖Fig.10 Structure diagram of ground current automatic compensation

為研究輸入地線電流IG與VOS的關系，圖10可等效如圖11所示。

圖11 等效結構框圖Fig.11 Equivalent structure diagram

可得系統傳遞函數為

(8)

由于差模放大倍數A很大，VOS輸出趨近于0，令輸入失調電流、偏置電流分別為Iio，Iib，則在A點產生的偏差電壓VOS2=(Iio+Iib)×(Z//Rf)，又放大器本身的輸入失調電壓為VOS3，則A點總電位為

(9)

還可以將溫度漂移引起的輸入端失調電壓考慮進去，可根據具體運放參數計算，這里不再贅述，所以補償后的地線剩余電流為VOS/Z，其中VOS是A點的電位。對于放大器輸入端的電壓誤差來源可分為失調電壓、偏置電流和失調電流、溫漂等在輸入端產生的偏差，所以選擇低失調、低溫漂、低噪聲、高精度自穩零集成運放A1可以提高地電位鉗位的程度，以提高地電流自動補償電路的準確性。對于高精密集成運放，這些誤差參數的值都是極小的，如LTC1151最大輸入失調電壓0.5μV，偏置電流和失調電流典型值為(10～20)pA。與此同時，為了提高地線電流自動補償電路的電流補償能力，可在放大器A1后串聯一個電流緩沖器A2和一個反饋電容，由于緩沖放大器A2置于閉環之內且在A1放大器之后，即其之前的前向通道增益很大，擾動被大程度抑制，即地電流自動補償性能對于A2放大器則精度要求不高，可以選擇電流緩沖能力大的放大器提高地線電流自動補償的能力。

如前文所述，10mA直流電流經過10mΩ地線電阻將產生100μV的電壓偏差，地電流補償仿真如圖12所示，通過地線電流補償技術，地線壓降在0.4μV以下，大大提高電路系統準確性。地電流補償應用電路仿真直流掃描[6]分析如圖13所示，水平

圖12 直流地電流補償應用電路仿真圖Fig.12 Circuit simulation diagram of DC ground current compensation application

橫線為地線電壓VOS，基本為零。下方斜線為流入放大器的補償電流，基本等于原地線電流IG。

圖13 直流掃描分析示意圖Fig.13 DC sweep analysis

實際地線電阻具有直流電阻和交流阻抗特性，除非頻率特別高，否則不考慮電容特性，根據放大器高頻開環增益衰減劇烈，電路性能將下降，過高頻不作考慮。如圖14所示對IG=10sin2πftmA仿真，f=1kHz。

圖14 交流補償仿真示意圖Fig.14 AC compensation simulation

這里是一種仿真示意，根據式(2)，在取仿真頻率為1kHz時，地線電感取值為L=4.777mH。即地線電感流過1kHz最大幅值為10mA的正弦電流產生最大幅值為300mV壓降。仿真分析如圖15所示，可知地線壓降也被大幅度降低。

圖15 地電流自動補償電路交流掃頻分析曲線圖Fig.15 AC sweep analysis of ground current automatic compensation circuit

圖15中，對地電流自動補償電路交流掃頻分析，地線壓降被限制在μV級別，直流補償可在nV級別。因為隨頻率增大，放大器開環增益衰減，參數性能下降，所以地電位鉗位能力減弱，補償能力變弱，差分輸入變大，地線中流過電流增大。所以可根據此地線電流補償思想，應根據實際應用情況，比如直流電流引起的輸出結果偏差，或不超過某個頻段的交流脈動信號產生的噪聲干擾，比如工頻噪聲等，根據所需補償電流信號交直流特性及信號大小選擇運算放大器的參數性能，做到合理的地線電流補償。

這里根據地線電流自動補償的思想提出另一種實用電路，如圖16所示。電流緩沖放大器輸出端流入地線電流，最下側為地線，最右側為地線電流IG=100mAdc。由圖中靜態工作點可以看到，地電位在347.8nV左右。

圖16 地電流自動補償與地電位鉗位實用仿真電路圖Fig.16 Practical simulation circuit of ground current automatic compensation and ground potential clamp

放大器地線電位同向跟隨，且放大器的輸入阻抗很大輸入電流極小，以及地線壓降的鉗位，所以這樣通過負載的電流基本都是從后一個緩沖放大器輸出端流入或流出，自動補償掉原來流入地線中的電流。后面的電流緩沖器增大地線電流的自動補償能力，比如LT1010就是一款能夠增大前級運放輸出電流能力的快速單位增益緩沖器，或者用OPA549同向跟隨，同樣也可以增大輸出驅動能力。地電位強制鉗位原理圖如圖17所示。

圖17 地電位強制鉗位原理圖Fig.17 Schematic diagram of ground potential forced clamp

不妨設放大器兩端的輸入電壓為UP(參考基準地0V)和UN，放大器Ax的開環增益為A1(量級在百萬級別)，放大器Ay閉環增益為A2，根據電路理論，可以得到

UN=β1U1+β2Uo

(10)

其中，

得到系統的結構框圖如圖18所示。

圖18 地電位鉗位系統結構圖Fig.18 Structure diagram of ground potential clamp system

根據梅森增益公式[7]得到系統閉環傳遞函數為

(11)

拉氏變換有

(12)

其中，

T=RC

帶入G(S)并化簡有

(13)

則閉環系統的單位階躍響應為

(14)

得知系統的單位階躍響應的穩態誤差為零。可以選擇小的RC值來完成更快的跟隨保持參考地電位的一致。

以上分析未考慮放大器漂移帶來的誤差，誤差主要來源有放大器的失調電壓、失調電流、偏置電流、溫度漂移和噪聲誤差等[8]。所以考慮誤差的系統框圖如圖19所示。因為β1=TS/(1+TS)的穩態增益為0，僅考慮系統穩態誤差時，運算放大器Ay的輸入端誤差干擾對反饋回路β1無影響，所以圖19的系統框圖將放大器Ay的輸入端誤差VIOS2僅等效在輸出端的誤差VOS2。

圖19 引入誤差的地電位鉗位系統結構框圖Fig.19 Structure diagram of ground potential clamp system with error considered

圖19中，VIOS1為放大器Ax失調電壓和失調電流及偏置電流等所產生在輸入端的誤差電壓之和，VOS2為放大器Ay輸入端引入的電壓誤差VIOS2在輸出端等效值。其中滿足VOS2=VIOS2×A2。根據梅森增益公式可得到放大器Ax引入的誤差傳遞函數

(15)

根據控制原理可以求出誤差VIOS1的穩態輸出UOS1=VIOS1。

放大器Ay引入的誤差傳遞函數為

(16)

化簡得

(17)

根據控制原理可以求出誤差VIOS2的穩態輸出為

UOS2=VIOS2/(1+A1A2)

(18)

由于A1對數幅度可達120dB以上，所以放大器Ay產生的誤差被大幅度抑制，這也是雙閉環電路的優點，干擾之前的系統前向通道增益越大，抑制干擾能力越強。則總輸出信號誤差為

UOS=UOS1+UOS2

(19)

誤差主要來源于第一個放大器Ax，對于放大器輸入端的電壓誤差來源可分為失調電壓、偏置電流和失調電流等在輸入端產生的壓降。然后帶入對應傳遞函數可求出最終對輸出引起的偏差，所以放大器Ax應選擇低失調、低溫漂、低噪聲、高精度自穩零集成運放可以提高地電位鉗位的程度。對于放大器Ay則精度要求不高，可以選擇電流緩沖能力大的放大器提高地線電流自動補償的能力。

4 結束語

由于實際地線的非零阻抗導致的地線擾動特性，使其無法滿足高精度測量要求，本文通過對地線干擾及抑制措施的探究，提出了一種新型的地線電流自動補償技術，并通過理論分析計算和實驗數據驗證，補償效果十分明顯。利用此項技術，可自動補償掉地線中電流，解決了地線電流通過地線阻抗形成差模電壓對高精度測量性能造成影響的問題，為此，可以針對地線中不同的信號頻率及干擾性質，根據系統的結構和功能[9]，合理采用地線電流自動補償技術提高系統信號的準確度，同時也要合理采用相應的接地方式，將接地、屏蔽及濾波等措施結合使用。