本專題將對屏蔽與防護電路中的常見問題進行匯總。通過討論干擾型噪聲，分析噪聲源、耦合通道與接收器三環(huán)節(jié)之間的關系，并以屏蔽為核心講解抑制干擾的方法。上一期我們討論Analog and Digital shield short和磁場感應噪聲，本期我們主要闡述有源屏蔽和防護以及總結。

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有源屏蔽和防護（Different shield and guard）

以上探討載流屏蔽的作用，讓屏蔽體承載與導線大小相等、方向相反的電流，從而削弱導線周圍磁場、降低磁感生噪聲。防護原理與此相似，即用一個本質上與屏蔽體內信號線上的共模電壓相等的電位驅動低阻抗屏蔽體。防護的用途較廣，可用于降低共模電容、提高共模抑制比，以及在高阻抗測量電路中消除泄漏電流。

以圖21所示電路為例：偏置電流可忽略不計的運算放大器接成高輸入阻抗的同相比例放大器形式，采用屏蔽電纜避免容性耦合噪聲侵入高輸入阻抗信號線，以及降低泄漏電流。信號源輸出阻抗為10MegΩ，從導線到屏蔽體的泄漏電阻假定為1000MegΩ（該值與溫度、濕度等條件相關）。如果如圖所示進行連接，等效輸入電路實際為衰減器：測量期間信號損耗為1%，非測量期間信號損耗比例不確定，此外電纜雜散電容引起信號延遲，延遲時間常數(shù)為 RsCc。

圖21 運放接成高輸入阻抗同相比例放大器，信號輸入采用屏蔽電纜

圖22電路組成基本與圖21相同，只是將屏蔽體接到增益分壓器抽頭（阻抗通常很低）。由于該節(jié)點與運放反相輸入端相連，因此其電位與運放同相輸入端相等，此時電纜泄漏電阻上的電壓為零，因而泄漏電流為零，泄漏電阻大小也就無關緊要。鑒于運放偏置電流可以忽略不計，因此運放同鄉(xiāng)輸入端電壓必與信號源Vs相等。

圖22 電纜屏蔽體接成防護罩

此外，電纜電容上的電壓為零，因此電纜既不會放電也不會充電，延遲時間常數(shù)將主要取決于電路雜散電容和放大器的輸入電容。為了提高穩(wěn)定性，應在輸出端與負輸入端之間接一個電容，使 CfRF = CsRi，其中 Cs 為屏蔽體與地間的雜散電容與放大器輸入電容之和。

防護罩上決不能有噪聲電壓，在圖22所示噪聲系統(tǒng)中，容性耦合噪聲將呈現(xiàn)差分特性，帶有較強高頻成分。采用圖23所示的兩種辦法可解決該問題：用響應速度快且輸出阻抗小的緩沖跟隨器驅動防護罩 (a)，或者在防護罩外面再加一層屏蔽體，并將屏蔽體連接信號參考電位(b)。

(a) 有源防護罩

(b) 屏蔽防護罩

圖23 消除防護罩上噪聲

高阻抗電流輸入反相配置中，如果使用屏蔽導線保護從電流源到放大器反相輸入端之間走線，對防護罩處理有兩種選擇：緩沖器驅動——緩沖器輸出與同相輸入端電位相等（除緩沖器外防護罩不與其它點接觸）；將防護罩直接接到運放同相輸入端，然后在其外面增加屏蔽體，并且將屏蔽體接到信號參考點。

a、有無屏蔽電纜測試：只有屏蔽電纜時對電路進行測試，噪聲源為10mV/1megHz，輸入信號源為100mV直流、輸出阻抗10meg歐姆，理想情況下電路實現(xiàn)11倍同相放大、輸出電壓1.1V；屏蔽電纜起作用時輸出電壓為1.089V、誤差為1%——噪聲得到抑制；屏蔽電纜不起作用時輸出電壓紋波峰峰值約為210mV——噪聲未能抑制。

參數(shù)定義：

ST1—屏蔽電纜接地設置，ST1=1時屏蔽電纜接地，ST1=0時屏蔽電纜不接地；

ST2—無源防護罩連接設置，ST2=1時防護罩有效，ST2=0時防護罩無效；

ST3—有源防護罩連接設置，ST3=1時防護罩有效，ST3=0時防護罩無效；

ST—全局設置，ST=1時屏蔽和防護有效，ST=0時屏蔽和防護無效；

ST4—噪聲源設置，ST4=1時噪聲源起作用，ST4=0時噪聲源無效；

有無屏蔽電纜測試電路

瞬態(tài)仿真設置

ST1屏蔽電纜接地設置——1為屏蔽電纜接地、0為屏蔽電纜不接地

測試波形與數(shù)據(jù)

b、無源防護罩測試：噪聲源為10mV/1megHz，輸入信號源為100mV直流、輸出阻抗10meg歐姆，理想情況下電路實現(xiàn)11倍同相放大、輸出電壓1.1V；防護罩起作用時輸出電壓峰峰值約5.4mV——噪聲得到一定抑制；防護罩不起作用時輸出電壓峰峰值約210mV——噪聲未能得到抑制。

無源防護罩測試電路

ST2無源防護罩連接設置——ST2=1時防護罩有效，ST2=0時防護罩無效

測試波形與數(shù)據(jù)

c、有源防護罩測試：噪聲源為10mV/1megHz，輸入信號源為100mV直流、輸出阻抗10meg歐姆，理想情況下電路實現(xiàn)11倍同相放大、輸出電壓1.1V；防護罩起作用時輸出電壓峰峰值約4uV——噪聲得到很大抑制；防護罩不起作用時輸出電壓峰峰值約210mV——噪聲未能得到抑制。

有源防護罩測試電路

ST3有源防護罩連接設置——ST3=1時防護罩有效，ST3=0時防護罩無效

測試波形與數(shù)據(jù)

d、屏蔽和防護同時測試：噪聲源為10mV/1megHz，輸入信號源為100mV直流、輸出阻抗10meg歐姆，理想情況下電路實現(xiàn)11倍同相放大、輸出電壓1.1V；屏蔽和防護同時起作用時輸出電壓幅值1.1V——誤差為0%、紋波峰峰值為0V——噪聲得到完全抑制。

屏蔽和防護同時測試電路——ST4=1

測試波形與數(shù)據(jù)

總結：

表2為本節(jié)要點總結，對于構建嚴密有效的屏蔽系統(tǒng)十分重要。不過有兩點最容易被忽略：信號屏蔽體上出現(xiàn)噪聲電壓、正確處置屏蔽體中噪聲電流；對此必須給予足夠重視。屏蔽體上決不能存在噪聲電壓，屏蔽體與信號線間的雜散電容將噪聲直接耦合至信號線。如果屏蔽體的電流返回路徑設計不當，該電流可能影響本系統(tǒng)相距甚遠其他電路，并且可能與看似“已解決”的屏蔽問題完全無關的位置引發(fā)故障。

表2 屏蔽要點的適用范圍