CN110703837A - 一种地电流补偿电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种地电流补偿电路及方法，所述地电流补偿电路包括：地线、电流补偿电路；在地线的第二端设置电流补偿电路，其中，所述地线的第一端接地；通过所述电流补偿电路对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小。
Description
技术领域
本申请涉及电流补偿技术，尤其涉及一种地电流补偿电路及方法。
背景技术
在电子电路设计中，由于地线阻抗的存在，当电流流经地线时会在地线上形成地线干扰，在实际工程项目研发中，由地线阻抗产生干扰根据传统技术方案无法彻底解决，测试发现信号调理电路的输出电压存在较大的直流误差和频谱很丰富的杂波噪声，而且该直流误差和噪声具有不可预测的随机性。经过分析和实验发现，由于地线中存在直流电流和杂波电流，通过地线直流电阻和交流阻抗转换成串模电压信号，作用于信号调理电路的敏感区域，特别是电路的输入端，从而造成信号调理电路产生直流误差和噪声，无法满足高精度设计指标的要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种地电流补偿电路及方法。
本申请实施例提供的地电流补偿电路，包括：
地线、电流补偿电路；其中，所述地线的第一端接地，所述地线的第二端连接所述电流补偿电路；所述电流补偿电路用于对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小。
在本申请一可选实施方式中，地电流的全部经所述地线的第二端流向所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为零。
在本申请一可选实施方式中，地电流的部分经所述地线的第二端分流至所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为VOS/Z，其中，VOS代表所述地线的第二端的电位，Z代表所述地线的实际阻抗。
在本申请一可选实施方式中，所述电流补偿电路包括放大器和负反馈电阻；其中，
所述地线的第二端连接放大器的反相输入端，在所述放大器的反相输入端和输出端之间连接有负反馈电阻，所述放大器的同相输入端接地；流经所述负反馈电阻的电流用于对流经所述地线的电流进行补偿。
在本申请一可选实施方式中，所述负反馈电阻的阻值满足以下条件：
其中，Rf代表负反馈电阻的阻值，VOMAX代表放大器的最大输出电压，IGMAX代表地电流的最大值。
在本申请一可选实施方式中，流经所述负反馈电阻的电流等于地电流，流经所述地线的电流为零。
在本申请一可选实施方式中，所述地线的等效阻抗为
其中，Ad为放大器的开环放大倍数。
本申请实施例提供一种地电流补偿方法，包括：
在地线的第二端设置电流补偿电路，其中，所述地线的第一端接地；
通过所述电流补偿电路对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小。
在本申请一可选实施方式中，所述通过所述电流补偿电路对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小，包括：
地电流的全部经所述地线的第二端流向所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为零。
在本申请一可选实施方式中，所述通过所述电流补偿电路对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小，包括：
地电流的部分经所述地线的第二端分流至所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为VOS/Z，其中，VOS代表所述地线的第二端的电位，Z代表所述地线的实际阻抗。
本申请实施例的技术方案中，所述地电流补偿电路包括：地线、电流补偿电路；其中，所述地线的第一端接地，所述地线的第二端连接所述电流补偿电路；所述电流补偿电路用于对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小。采用本申请实施例的技术方案，可以自动补偿掉地线中的电流，从根本上减少流经地线的直流电流和杂波电流，从而解决因地线阻抗干扰而导致的在高精度设备研制中无法做到超高精度和超高稳定度信号输出的问题。
附图说明
图1为理想地线示意图；
图2为数模混合电路图；
图3为理想情况下数模混合电路的等效电路；
图4为考虑地线阻抗影响的数模混合电路；
图5为本申请实施例的地电流补偿总体方案示意图；
图6为本申请实施例的地电流补偿电路图；
图7为本申请实施例的电流补偿电路图；
图8为本申请实施例的电流补偿方法流程图。
具体实施方式
理想情况下，地线是直流和交流阻抗均为零的实体导体，即使地线中流过电流，地线仍处处电位相等，任意两点不产生电位差。但考虑实际电路中，由于地线阻抗的存在，地线电流形成干扰电压，使信号传输出现偏差，这就是地线干扰，对电子器件的工作产生影响。在高精度测量中，地线问题尤为突出，地线中存在的直流电流及杂波电流带来不可忽略的测量噪声，会严重影响测试系统的测量准确度。
一般情况下，地线干扰主要分为地环路干扰和公共阻抗干扰。地环路干扰主要存在于两互联设备(或子系统)具有不同的参考地间。为削弱地环路干扰，一般采用隔离技术如变压器隔离和光电耦合等技术可以较好的避开地环路的形成、削弱地环路干扰并将输入输出隔离。在内部的电路系统设计中，面临公共阻抗干扰问题，为解决地线的公共阻抗干扰，可加大地线厚度和面积，其次可根据电路调整接地方式，如采用多点并联接地或串并联接地等，对于削弱地线阻抗有一定作用，但经常无法满足超高精度测量需求，因为地线始终是存在的，阻抗也没有变为零，因而地线干扰也不会完全消失，且地线中电流越大，干扰越大。在实际工程项目研发中，由地线阻抗产生干扰根据传统技术方案无法彻底解决，测试发现信号调理电路的输出电压存在较大的直流误差和频谱很丰富的杂波噪声，而且该直流误差和噪声具有不可预测的随机性。经过分析和实验发现，由于地线中存在直流电流和杂波电流，通过地线直流电阻和交流阻抗转换成串模电压信号，作用于信号调理电路的敏感区域，特别是电路的输入端，从而造成信号调理电路直流误差和噪声。为了降低地线电流的影响，采取了地线铜箔加厚措施和并联紫铜导线的措施，直流误差和杂波噪声都有所减小，但还是远不能满足高精度测量要求。
为了解决地线电流通过地线阻抗形成差模电压对高精度测量性能的影响问题，本申请实施例提供了一种地电流补偿电路及方法，利用本申请实施例的技术方案，可以自动地将流经地线的直流电流和杂波噪声电流补偿为零或者接近零，即使地线存在直流电阻和交流阻抗，在地线的两端也不产生压降，从而实现了本申请实施例的目的。
为便于理解本申请实施例的技术方案，以下对本申请实施例相关的技术进行说明。
图1为理想地线示意图，图1中，AB是一条地线，流经地线的地电流为IG，理想情况下，地线是直流和交流阻抗均为零的实体导体，地线阻抗为零，即使地线中流过电流，地线仍处处电位相等，地线的任意两点间不产生电位差，所以图1中地线上各处的电压V1、V2、V3、V4、…、Vn应满足以下条件：
V1＝V2＝V3＝V4＝...＝Vn＝0 (1)
图2为数模混合电路图，其中，图2包含信号调理电路(如k倍放大)、模拟数字转换电路(ADC)、数据处理数字电路(如DSP)，三个电路的接地端可以共同并联后再接地。Vi为电路信号调理端的输入，理想情况下，地线阻抗为零，图2所示的数模混合电路可以等效为图3所示的理想情况下数模混合电路的等效电路。其中，图3中，数模混合电路信号调理端的输入为Vi，信号调理电路(如k倍放大)、模拟数字转换电路(ADC)、数据处理数字电路(如DSP)分别单独接地。
实际情况中，由于电路中地线存在直流电阻和交流电抗，地线电流会形成干扰电压，使信号传输出现偏差，形成地线干扰，对电子器件的工作产生影响。在高精度测量中，地线问题尤为突出，地线中存在的直流电流及杂波电流带来不可忽略的测量噪声，会严重影响测试系统的测量准确度。所以在电路设计过程中必须考虑地线的阻抗形成的干扰。
在考虑地线阻抗的情况下，图2的数模混合电路可以用图4表示，图4为考虑地线阻抗影响的数模混合电路，图中各地线的阻抗值分别为Z1、Z2、Z3。流经各地线阻抗Z1、Z2、Z3的电流分别为IG1、IG2、IG3，当各电流流经每段地线时，将在每段地线上产生压降，在电路的各段地线上形成差模电压信号或共模电压信号，对应的差模电压信号分别为VZ1、VZ2、VZ3，对应的共模电压信号分别为VC1、VC2、VC3。由于流经地线的电流是未知的、随机的、直流的、交流的、脉动的，因此，当电流流经地线时，每段地线上产生的直流误差和噪声也是不可预测的，对于电路的影响也将不可预测。
图4所示的考虑地线阻抗影响的数模混合电路中，各地线的阻抗为各地线两端的复数电压与流经地线的复数电流之比，各地线的阻抗为Zi＝Ri+jwXi，各地线的阻抗是一个复数，其中Ri为直流分量，wXi为交流分量，地线阻抗的大小为复数阻抗Zi的模，满足以下公式：
地线阻抗的大小与频率有关，频率越高，地线阻抗越大。
图4所示的电路中，由于地线电流的作用，在转换电路输入端的产生的误差值Δ满足以下公式：
Δ＝|(IG1·Z1)×k+IG2·Z2| (3)
作用在数字电路输入端的地线干扰串模电压满足以下公式：
VZ3＝IG3·Z3 (4)
下面以一段地线为例，分析在未采用本申请的实施例的方案时，地线产生的干扰。
一段电阻为10mΩ的地线，对于TTL数字电路信号，该地线阻抗达到30Ω。当把这段地线接在图4所示数模混合电路的信号调理电路的输入端时，该地线的阻抗值Z1＝0.01+j30，当流经这段地线的电流为10mA的直流电流时，此地线将产生100μV的直流测量误差，在高灵敏度直流测量电路中，该地线电流将对测量结果产生很大影响。
在数字电路中，地线电流是一个频谱丰富的随机杂波信号，当图4中的Z1中流过10mA的随机杂波信号时，将在输入端产生300mV的噪声干扰电压，给测量结果带来更大的误差，或者导致信号调理电路饱和。当该电流流过图4所示电路中的数字电路输入端的地线时，将在Z3两端产生0.3V的随机杂波电压信号，超出数字电路的低电平容限，可能导致数字电路的时序和逻辑错误。
基于上述数模混合电路及其存在的地线干扰的分析，提出本申请的各个实施例。
图5为本申请实施例的地电流补偿总体方案示意图，其中，地线的第二端和第一端分别为A和B，地线的阻抗为Z，从外电路流入地线的电流为IG，通过在地线补偿电流IB，IB为与IG大小相等方向相反的电流，通过对地电流进行补偿可以使流过地线的电流为零。
本申请实施例的基本思想为：地电流补偿电路，包括：地线、电流补偿电路；其中，所述地线的第一端接地，所述地线的第二端连接所述电流补偿电路；接入电流补偿电路后，当有外电流通过地线的第二端注入地线时，该外电流将通过地线的第二端流入电流补偿电路，所述电流补偿电路用于对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小。
如图6所示，本实施例提供一种地电流补偿电路，所述地电流补偿电路包括：地线11、电流补偿电路12；其中，
所述地线11的第一端接地，所述地线11的第二端A连接所述电流补偿电路12；所述电流补偿电路12用于对流经所述地线11的电流进行补偿，使得流经所述地线11的电流减小。
本实施例中的地线的第一端B接地电平参考点，地线第二端A为电流的注入端，注入第二端的电流可以为信号调理模拟电路(如K倍放大)接地时的电流、也可以为模拟数字转换电路(ADC)的接地时的电流、还可以是数字处理数字电路(如DSP)接地时的电流，也可以是其它形式的电路的接地电流，只要在电子电路设计中涉及地线等接地电路，均可以采用本申请实施例的技术方案实现对流经地线的电流进行补偿，达到使流经地线的电流减小的目的。
本实施例中所述电流补偿电路用于对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小，具体实现可以包括对地电流的全部进行补偿或者对地电流的部分进行补偿。
在一实施方式中，地电流的全部经所述地线的第二端流向所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为零；此时，地电流的全部在注入地电流的第二端后都自动地全部流入电流补偿电路中，没有电流流入地线中，此时，即使地线中存在直流电阻和交流阻抗，无论地线的阻抗的大小是多少，无论阻抗是何种性质，都不会有电流流过地线，也就不会在地线中产生直流误差和噪声，在地线的两端也不产生压降。这种情况下，地线不会产生频谱丰富的随机杂波信号，也就不会在电子电路的设计中产生噪声干扰，给电路的测量等带来误差。
另一实施方式中，地电流的部分经所述地线的第二端分流至所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为VOS/Z，其中，VOS代表所述地线的第二端的电位，Z代表所述地线的实际阻抗。这一情况下，注入地线的电流分为两部分，分别流入电流补偿电路中和地线中，电流补偿电路能够使通过地线的电流减小，实现对地线部分电流进行补偿，由于最终通过地线的电流减小，在地线中产生的直流误差和噪声也减小，能够减小地线对电路的影响，提高电路设计和测量的准确性。
优选的，图7为本申请实施例的电流补偿电路图，所述电流补偿电路包括放大器A和负反馈电阻Rf；其中，
所述地线的第二端A连接放大器A的反相输入端，在所述放大器A的反相输入端和输出端之间连接有负反馈电阻Rf，所述放大器A的同相输入端接地；流经所述负反馈电阻Rf的电流用于对流经所述地线的电流进行补偿。
具体的，所述负反馈电阻Rf的阻值满足以下条件：
其中，Rf代表负反馈电阻的阻值，VOMAX代表放大器的最大输出电压，IGMAX代表地电流的最大值。
在一实施方式中，所述电流补偿电路的放大器A为理想运算放大器，图7中VOS为零，地线第二端A点电压为零，此时，图7中流过负反馈电阻Rf的电流等于地电流，流经地线的电流为零，在地电流注入地线阻抗的第二端时，地电流的全部将通过地线第二端A点流入电流补偿电路中，而地线中最终流过的电流为零，这种情况下，不论地线的阻抗实际值为多少，都不会有电流经过地线，电流补偿电路能够自动地将流经地线的直流电流和杂波噪声电流补偿为零，使地线第一端和第二端的电压均为零，最终消除地线中产生的直流误差和噪声。
在另一实施方式中，地电流的部分经所述地线的第二端分流至所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为VOS/Z，其中，VOS代表所述地线的第二端的电位，Z代表所述地线的实际阻抗。
对于放大器输入端的电压误差来源可分为失调电压、偏置电流和失调电流、温漂等在输入端产生的偏差，所以选择低失调、低温漂、低噪声、高精度自稳零集成运算放大器可以提高地电位钳位的程度，以提高地电流补偿电路的准确性。
具体的，因为所述地流补偿电路中的放大器的非理想特性，所以在引入本申请的电流补偿电路后，地电流的部分会流至电流补偿电路，但仍存在剩余电流流经地线，但是，由于放大器的开环增益对数幅度可达120dB以上，所以地线经补偿后，流过地线的剩余电流仍然是极小的，补偿后流经所述地线的电流为VOS/Z，其中，VOS代表所述地线的第二端的电位，Z代表所述地线的实际阻抗。通过地电流补偿后，所述地线的等效阻抗为
其中，Ad为放大器的开环放大倍数。此时的地线阻抗的大小与地线的实际阻抗值没有关系。不论地线的实际阻抗值为多少，采用本实施例的方案后，地线的等效阻抗都仅与放大器的最大输出电压VOMAX、地电流最大值IGMAX和放大器的开环放大倍数Ad有关系。
对于放大器的选取，放大器输入端的电压误差来源可以分为失调电压、偏置电流和失调电流、温漂等在输入端产生的偏差，所以，当选择低失调、低温漂、低噪声、高精度自稳零集成运放时，可以提高地电位钳位的程度，提高地电流补偿电路的准确性。
具体的，以对一段具体地线补偿为例，对本申请实施例的电流补偿方法进行验证。
一段地线，其直流电阻为18mΩ，在交流频率为1MHz时，该地线的交流阻抗为36Ω，采用本实施例的方案对地电流进行补偿，被补偿的地线直流电流IGMAX测量值为98mA，噪声电流测量值11mA，放大器的最大输出电压VOMAX＝10V，运算放大器的开环放大倍数Ad＝2×106，自动补偿后的地线阻抗为50μΩ，经电流补偿电路补偿后，地线的等效阻抗相比地线实际阻抗明显减小，此种情况下能够大大减少地线因地线阻抗的存在产生的干扰。
本申请实施例还提供一种地电流补偿方法，地电流补偿方法流程如图8所示，该方法包括：
步骤801、在地线的第二端设置电流补偿电路。
其中，所述地线的第一端接地。
具体的，地线的第二端设置有电流补偿电路，当在地线的第二端注入地电流时，假定注入地电流的大小为IG，则当地电流流经地线的第二端时，电流将会流入电流补偿电路。
步骤802、通过所述电流补偿电路对流经地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小。
在一实施方式中，所述通过所述电流补偿电路对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小，包括：
地电流的全部经所述地线的第二端流向所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为零。
具体的，当在地线的第二端注入电流，电流的大小为IG时，若不在地线第二端接入电流补偿电路，则所述电流将全部流入地线中，由于地线阻抗的存在，将在地线的第一端和第二端之间形成电压，在高精度的模数混合电路系统设计中，由于地线阻抗的存在形成的阻抗干扰，在电路调理模块的敏感区域由于阻抗干扰的存在将对输出信号产生扰动，无法满足高精度设计指标的要求。若在地线的第二端引入电流补偿电路，当地线的第二端有电流注入，且注入的电流的大小为IG时，所述电流将全部注入电流电流补偿电路中，在这种情况下，将不会再有电流流入地线中，此时，不论地线的阻抗为多少，也不论注入地线第二端的电流是什么性质，地线上都不会存在直流误差和噪声，地线上都不会形成不可预测的压降，也就不会在电路调理模块的敏感区域对输出信号产生扰动。
在另一实施方式中，所述通过所述电流补偿电路对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小，包括：
地电流的部分经所述地线的第二端分流至所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为VOS/Z，VOS代表所述地线的第二端的电位，Z代表所述地线的实际阻抗。
具体的，当在地线的第二端注入电流，电流的大小为IG时，若在地线的第二端接入电流补偿电路，地电流的部分经所述地线的第二端分流至所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为VOS/Z，其中，VOS代表所述地线的第二端的电位，Z代表所述地线的实际阻抗。这一情况下，注入地线的电流分为两部分，分别流入电流补偿电路中和地线中，电流补偿电路能够使通过地线的电流减小，实现对地线部分电流进行补偿，使通过地线的电流减小。
本申请实施例的电流补偿电路包括：放大器、负反馈电阻；其中：
所述放大器的反向输入端连接所述地线的第二端，所述放大器的正向输入端接地；
所述放大器的反向输入端和所述放大器的输出端之间连接所述负反馈电阻。
负反馈电阻的阻值满足：
其中，Rf代表负反馈电阻的阻值，VOMAX代表放大器的最大输出电压，IGMAX代表地电流的最大值。
若放大器为理想放大器，流经所述负反馈电阻的电流等于地电流，流经所述地线的电流为零。
若放大器为非理想放大器，由于放大器的非理想特性，地电流并不会全部都流入电流补偿电路中，其中仍会有一部分剩余电流流入地线中，此时，假设地线第二端的电位为VOS，则采用本申请实施例的方法对地电流进行补偿后，通过地线的剩余电流为VOS/Z。
通过电流补偿电路对地线的电流补偿，能够将地线的阻抗降为
其中，VOMAX代表放大器的最大输出电压，IGMAX代表地电流的最大值，Ad为放大器的开环放大倍数，此时的地线阻抗的大小与地线的实际阻抗值没有关系。不论地线的实际阻抗值为多少，采用本实施例的方案后，地线的等效阻抗都仅与放大器的最大输出电压VOMAX、地电流最大值IGMAX和放大器的开环放大倍数Ad有关系。
在高精度的模数混合电路系统设计中，需采用本申请实施例的方法，能够合理地补偿掉影响系统精度和稳定度的部分关键处的地线电流，根据具体设计电路，以及地线中流过电流的特性，选择合适的运算放大器性能参数，实现地线电流自动补偿，提高系统高精度和高稳定度，解决了因仅采用传统的抑制地线干扰措施无法从根本上处理因地线阻抗干扰而导致的在高精度设备研制中无法做到超高精度和超高稳定度信号输出的问题。
本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种地电流补偿电路，其特征在于，所述地电流补偿电路包括：地线、电流补偿电路；其中，
所述地线的第一端接地，所述地线的第二端连接所述电流补偿电路；所述电流补偿电路用于对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小。
2.根据权利要求1所述的地电流补偿电路，其特征在于，地电流的全部经所述地线的第二端流向所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为零。
3.根据权利要求1所述的地电流补偿电路，其特征在于，地电流的部分经所述地线的第二端分流至所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为VOS/Z，其中，VOS代表所述地线的第二端的电位，Z代表所述地线的实际阻抗。
4.根据权利要求1所述的地电流补偿电路，其特征在于，所述电流补偿电路包括放大器和负反馈电阻；其中，
所述地线的第二端连接放大器的反相输入端，在所述放大器的反相输入端和输出端之间连接有负反馈电阻，所述放大器的同相输入端接地；流经所述负反馈电阻的电流用于对流经所述地线的电流进行补偿。
5.根据权利要求4的地电流补偿电路，其特征在于，所述负反馈电阻的阻值满足以下条件：
其中，Rf代表负反馈电阻的阻值，VOMAX代表放大器的最大输出电压，IGMAX代表地电流的最大值。
6.根据权利要求4或5所述的地电流补偿电路，其特征在于，流经所述负反馈电阻的电流等于地电流，流经所述地线的电流为零。
7.根据权利要求4或5的地电流补偿电路，其特征在于，所述地线的等效阻抗为
其中，Ad为放大器的开环放大倍数。
8.一种地电流补偿方法，其特征在于，所述方法包括：
在地线的第二端设置电流补偿电路，其中，所述地线的第一端接地；
通过所述电流补偿电路对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过所述电流补偿电路对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小，包括：
地电流的全部经所述地线的第二端流向所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为零。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过所述电流补偿电路对流经所述地线的电流进行补偿，使得流经所述地线的电流减小，包括：
地电流的部分经所述地线的第二端分流至所述电流补偿电路，使得流经所述地线的电流为VOS/Z，其中，VOS代表所述地线的第二端的电位，Z代表所述地线的实际阻抗。
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