Заземление экрана на высоких частотах

На частотах ниже 1 МГц экран следует заземлять только на одном конце. Если это не выполняется, то, как было показано выше, по экрану могут протекать большие токи с частотой сети и вносить шумы в сигнальную цепь. Заземление в одной точке устраняет также контур заземления и связанные с ним магнитные наводки.

На частотах выше 1 МГц или в случае, когда длина кабеля превышает 1/20 длины волны, чтобы гарантировать сохранение потенциала земли на экране, часто бывает необходимо заземлять экран более чем в одной точке. Еще одна проблема, возникающая на высоких частотах, заключается в том, что паразитная емкостная связь может замкнуть контур заземления, как показано на фиг. 3.29. Это делает трудным или даже невозможным сохранение изоляции незаземленного конца экрана.

Поэтому при работе с высокими частотами обычно заземляют экран с обоих концов. Для длинных кабелей может потребоваться заземлять экран с шагом 1/10 длины волны. Напряжение шумов, возникающее из-за разности потенциалов земли и попадающее в

Фиг. 3.28. Введение в цепь заземления схем на фиг. 3.26 сопротивления R для уменьшения напряжения шумов.

схему (в основном на частоте сети или ее гармониках), можно обычно отфильтровать, так как сигнал и шумы значительно различаются по частоте. На частотах выше 1 МГц связь между токами сигнала и шумов, протекающими по экрану, ослабляется за счет скин-эффекта. Скин-эффект приводит к тому, что ток шумов течет по наружной, а сигнальный ток — по внутренней поверхности экрана. На высоких частотах при использовании коаксиального кабеля заземление в нескольких точках обеспечивает также некоторое магнитное экранирование.

Характеристики схемы, показанной на фиг. 3.29, можно улучшить, заменив паразитную емкость конденсатором малой емкости и получив тем самым комбинированное, или гибридное, заземление. На низких частотах вследствие высокого импеданса имеется одна точка заземления. На высоких же частотах импеданс конденсатора становится низким, чем и обеспечивается несколько точек заземления схемы. Такая конфигурация заземления часто бывает полезна для схем, которые должны работать в очень широком диапазоне частот.

Фиг. 3.29. Образование контура заземления на высоких частотах из-за действия паразитной емкости.

Защитное экранирование1)

Лучшего подавления шумов, чем при использовании дифференциального усилителя, можно достичь, применив усилитель с защитным экранированием. На защитный экран, в который помещается усилитель, подается потенциал, предотвращающий прохождение тока через импеданс несбалансированного источника сигнала. Влияние защитного экрана лучше всего можно пояснить на примере, в котором экран используется для нейтрализации эффектов, вызываемых разностью потенциалов заземления.

На фиг. 3.30 показан усилитель, соединенный с заземленным источником экранированной витой парой. Здесь U₃— синфазное (продольное) напряжение, вызванное разностью потенциалов земли; U_r — дифференциальное напряжение сигнала; R_r— сопротивление источника; R_вх - входной импеданс усилителя; C₁₃ и С₂₃— паразитные емкости между входными зажимами усилителя и землей, в том числе и емкость кабеля. Напряжение U₃ вызывает в схеме два нежелательных тока: ток I₁, проходящий через резисторы R_r и R₁ и емкость C₁₃, и ток I₂, текущий через резистор R₂ и емкость С₂₃. Если каждый из этих токов встречает на своем пути разное сопротивление, на входе усилителя будет присутствовать дифференциальное напряжение. Однако, если усилитель помещен в защитный экран, поддерживаемый под тем же потенциалом, что и точка А (фиг. 3.31), токи I₁ и I₂ становятся равными

¹⁾ Не следует путать с защитным заземлением: в отличие от последнего, защищающего от поражения электрическим током, защитное экранирование предохраняет устройство от проникновения помех. — Прим. перев.

Фиг. З.З0. Соединение усилителя и заземленного источника экранированной витой нарой.

Фиг. 3.31. Использование защитного экрана, исключающего протекание тока шумов.

нулю, поскольку оба конца цепи находятся под одинаковым потенциалом. Емкости С₁ и С₂ оказываются включенными между входными зажимами и экраном. Тем самым достигается цель экранирования— устранение дифференциального входного напряжения шумов. Неясным, однако, остается вопрос о том, каким образом поддерживать на защитном экране тот же потенциал, что и в точке А. Один из способов решения этого вопроса показан на фиг. 3.32, где равенство потенциалов обеспечивается подключением защитного экрана к экрану кабеля. Другой конец экрана кабеля в этом случае заземляется в точке А. Предполагается, что между точкой А и общим зажимом источника сигнала не возникает напряжения шумов. Если имеется хотя бы малейшая возможность возникновения напряжения шумов между общим зажимом U_r и точкой заземления А, защитный экран следует подключить к общей шине источника, а не непосредственно к точке А.

Отметим, что подключение усилителя и экрана по схеме фиг. 3.32 не нарушает ни одного из приведенных выше правил.

Фиг. 3 32. Подключение защитного экрана к точке А через экран кабеля.

Экран кабеля заземлен только в одной точке (точке А) и соединен с общей шиной усилителя. Экран, в который заключен усилитель, также соединен с общей шиной последнего.

В экранированном усилителе (фиг. 3.32) любая точка, заземленная внутри защитного экрана и имеющая потенциал точки В, увеличивает емкость между входными проводниками и землей (емкость, на которую не влияет защитное экранирование). Поэтому, чтобы схема работала, усилитель должен питаться от внутренних батарей или питание следует подводить от электростатически экранированного трансформатора. Ни одна из точек защитного экрана не должна иметь контакта с землей В, так как в противном случае его эффективность сведется на нет. Поэтому на практике схему усилителя в защитном экране помещают во второй экран (фиг. 3.33), с тем чтобы гарантировать целостность защитного экранирования. Этот второй, или внешний, экран заземляется в точке местного заземления (точке В) и удовлетворяет требованиям техники безопасности.

Защитный экран требуется лишь тогда, когда проводятся измерения сигналов исключительно малых емкостей или когда присутствуют очень большие синфазные напряжения, а все другие способы подавления шумов уже использованы для уменьшения шумовых наводок до абсолютного минимума. Экранирование несимметричного усилителя дает такие же хорошие результаты, как и в случае дифференциального усилителя.

Пример 3.3. Рассмотрим численный пример, приведенный на фиг. 3 34. Здесь R₁=R₂=0, R_г=2,6 кОм, С₁₃ = С₂₃ = 100 ПФ, а U₃= 100 мВ (при 60 Гц). Реактивное сопротивление 100 пФ на частоте 60 Гц равно 26 МОм. Дифференциальное напряжение шумов

Фиг. 3 33. Схема с двойным экранированием. Электрического контакта между двумя экранами нет.

на входных зажимах усилителя без защитного экрана можно записать в виде

(3.17)

где Z_l3 и Z₂₃ — импедансы емкостей C₁₃ и С₂₃ соответственно.

Подставляя численные значения в уравнение (3.17), получаем, что входное напряжение шумов без защитного экранирования равно

10 мкВ. Если применяемый защитный экран уменьшает емкость каждой линии относительно земли до 2 пФ, как показано на фиг. 3.35, дифференциальное напряжение шумов на входных зажимах усилителя с установленным защитным экраном также имеет вид уравнения (3.17), но при этом входное напряжение шумов уменьшается до 0,2 мкВ, т. е. на 34 дБ относительно 10 мкВ без защитного экрана. Емкость относительно земли 2 пФ является следствием того, что защитный экран несовершенен. Если бы он обеспечивал совершенное экранирование, емкость относительно земли и напряжение шумов равнялись бы нулю. Следует отметить, что напряжение шумов, поступающее на усилитель, с увеличением частоты растет, поскольку импеданс емкостей С₁₃ и С₂₃ при этом уменьшается.

Фиг. 3.35. Уменьшение емкости линии передачи относительно земли и, следовательно, напряжения шумов при использовании защитного экрана.