接地与屏蔽技术 电路与干扰(原书第6版)

一本销售长达50年且有6个版本的书肯定是独一无二的。我要感谢John Wiley & Sons陪我度过了这么多年。我要感谢我的新编辑Brett Kurzman为我找到了一份合同。我要感谢我的妻子伊丽莎白一直以来的支持。我要感谢所有这些年来一直支持我的读者。如果没有NXP半导体公司的丹·比克的催促，就不会有第5版，更不会使第6版成为可能。为此，我欠他一个“谢谢”。我一直在想如何使这个版本更有效，我觉得我的开场白是关键。我需要讲述这个故事，这样读者才会明白我的做法。

“接地（grounding）”和“屏蔽（shielding）”有许多含义。对于以英语
为母语的人来说，ground这个词可以包括多种含义，如磨碎咖啡（coffee grounds）、解雇理由
（grounds for dismissal）、游乐场(play grounds)、
碎牛肉馅（ground round）或地面(ground floor)。shield这个词可以包括诸如挡风玻璃
（windshield）、警徽(police badge)、金属盔甲(metal armor)或防护服
(protective clothing)等含义。在电学上，接地可以指接大地、电池的负极、电路板上的导电平面、中性电导体或金属柜。
人们经常把这些词与防止电干扰联系起来。书名旨在传达这一意义。本书的每位读者都将从与这些词相关的独特体验开始，这也是我写作此书的用意。
我参与电气接地和屏蔽领域的研究工作已经超过50年了。我对该领域的理解来自于我的经历、
兴趣和教育。1967年以来，由于电子技术的不断变化，我每10年就重写这本书。此外，我一直在学习相关畅销书
的写作方式。接地和屏蔽是一个重要的课题，因为它几乎涉及现代
电气技术的方方面面。

首先，相对于电路容量来说，接地与屏蔽与
导体的几何形状关系密切。进一步地讲，通过惯例传递的很多信息只是简单的知识，甚至有些是错误的或误导性的。这意味着工程师常常有先入为主的想法，并且需要做一些
工作把事情弄清楚。在某些情况下，用户必须遵循的基本规则
被印在纸上时，很容易假定它们是有效的。
不幸的是，并非所有的规则都是有效的或实用的。如果这些规则是错误的，那么反对权威会是非常令人沮丧的。
学校并不开设社会需要的科目，工程师常常需要自己寻找答案。我还发现，质量控制人员将会遵循书面的规则，而不是一个外部工程师或作者的意见。他们尊重权威，这也是他们被期望做的。我有一些持续多年的
争论仍受到质疑。仅凭这个事实，我就知道有些观点是根深蒂固的。

接地和屏蔽技术应用在大多数设计中。因为这不是一门精确的科学，所以对于在什么地方连接屏蔽和参考信号可能有
多种方法。有的方法是很好的，通过复制以前的设计或口头讲授即可实现。在大多数情况下，不能通过简单的测
试说明某种方法是否有效。我们可能知道如何测试一块电子硬件，但如何测试一幢建筑物却是另一回事。
必须问自己： 想做些什么测量？把电压探头放在哪里？即使可以进行测试，对大型系统来说改动也
是非常困难的。在许多情况下，
设计中的想法在某些范围下是有效的。一个
对某事有误解的人可能会发现很难接受不同的解释，当许多不同的意见被
提出时尤其如此。我发现，工程师对于新观点持怀疑态度，他们不知道相信什么或相信谁。另一个问题是，
工程术语是不断变化的，有时有效的解释却达不到沟通的目的。
接地和屏蔽这个主题介于贸易实践与物理学之间，
内容广泛，这是一个不适合学术界的学科领域。对一些经理来说，接地技术似乎是一个技术人员的工作。在现实中，它往往是
非常复杂的。由于这些原因，现在我想改写第6版，为今天的设计师传达一些信息，
尽可能地将重点放在与主题相关的基本原理上来。我想用物理学作为解释的基础而不是让解释过于数学化。
我自认为在接地和屏蔽技术方面的见解是独到的。电路原理已经明确表明导体携带信号。事实上，导体引导能量场的流动，而能量场能够携带信号、干扰和操作部件。自然界并不区分这三种功能。我们确实需要电路来描述我们的
想法，需要电路理论分析这些电路。当电路理论不够用时，我们需要应用基础物理学。我们必须把电源、信号和干扰区分开
。我们需要认识到，几乎所有的电活动都发生在导体之间的空间中。
本书的目的就是明确指出这个非常关键的想法是如何解决问题的。场传递的想法已经涵盖在物理学课程中。这些
想法与实际设计之间的联系，在教材中和课堂上经常被忽略。导体之间的空间排列可以保持各个场的分离。导体几何的控制是设计者的工作，这是本书的核心。

本书不是对电路理论的介绍
（假定读者已熟悉电路是如何工作的），也不是应用物理学导论，而是
理论与实践相结合的一本书。教科书中所解决的问题与从事设计工作的新手所面临的问题完全不同。毕业后，周围没有老师
可以求助。
通过直觉和过去的经验，我解决了很多实际问题。渐渐地，我的理解力增强了。随着时间的推移，很明显，我应该更多地使用我的经验，而不是我的直觉。这很容易说到却不容易做到。在现实世界中，问题必须被解决而不只是被研究。大多数问题是多维的，并不仅仅适合一个学科。在迷宫中找到一条路可能不是很有效的方法，但是人们并不能够经常做到用迷宫试验学习更多的知识。这需要时间，需要耗费资源。

我在大学里了解到了位移电流。直到我开始写“数字电路”这节内容之前，我才意识到这个概念的价值。然后我发现
一种解释电流是如何流入传输线里分布电容的方法。在阅读相关文献时，我从未见过有关解释。我在本书中提出这个方法，
希望它有助于读者解释真实世界。

现在看来本书第5版的第1章过于严肃，读者
阅读起来有点吃力。即使我的初衷是好的，并且兴奋地进行了讲述，但是内容并不吸引人。为了改进，我决定
结合我的一些经验开始写作第6版，
说明为什么这个基本物理知识对于理解接地和屏蔽是至关重要的。
我认为历史既有趣又有洞察力。

拉尔夫·莫里森于加利福尼亚州圣布鲁诺

The fifth edition of Grounding and Shielding has been revised throughout. The author has added material on transmission lines, radiation and printed circuit design, all of which are of great current interest because of the smaller dimensions of electronic devices. Material that has been shortened or omitted deals with electric field development and transformer shielding.

本书系统地论述了如何利用电磁场理论来处理各种类型的电子系统设计中的接地与屏蔽技术。书中首先介绍了模拟电路与数字电路设计的基本概念，然后详细讨论了各种电气系统的电磁干扰与抗干扰问题，例如电压与电容、电磁场、电源与设备地、电源配送、模拟与数字电路混合设计、高速电路板布线、电磁辐射，等等。

 [美]拉尔夫·莫里森（Ralph Morrison）  电子工程和干扰控制领域知名专家。拥有三十多年的设计实践和技术顾问经验。在John Wily & Sons公司出版了畅销图书Noise and Other Interfering Signals, Grounding and Shielding in Facilities和Solving Interference Problems in Electronics。

第1章电压与电容

1.1引言

1.2电荷与电子

1.3电力场

1.4场的表述

1.5电压定义

1.6等势面

1.7两平行板导体间的电力场

1.8电场分布图

1.9电场中的储能

1.10电介质

1.11D场

1.12电容

1.13互容

1.14位移电流

1.15电容器中储存的能量

1.16电场中的力

1.17电容器

1.18电介质吸收

1.19平面导体电阻

第2章磁学

2.1磁场

2.2安培定律

2.3螺线管

2.4法拉第定律与感应场

2.5电感

2.6电感中的储能

2.7空间中的磁场能量

2.8电子漂移

2.9磁路

2.10带气隙的磁路

2.11小电感器

2.12自感和互感

2.13变压器的作用

2.14磁滞和磁导率

2.15涡流

第3章数字电子技术

3.1引言

3.2电能的传输

3.3传输线

3.4传输线的运行

3.5传输线场形式

3.6端接传输线

3.7未端接的传输线

3.8短路终止

3.9现实情况

3.10正弦波与阶跃电压

3.11数字电路发展的历史

3.12理想条件

3.13反射和透射系数

3.14从理想的能源中获取能量

3.15电容器传输线

3.16去耦电容器与固有频率

3.17印制电路板

3.18双面电路板

3.19过孔

3.20输电线路终端

3.21接地和电源平面电容中的能量

3.22坡印廷矢量

3.23趋肤效应

3.24测量问题： 接地反弹

3.25平衡传输

3.26带状电缆和连接器

3.27模拟接口与数字接口

第4章模拟电路

4.1引言

4.2仪器仪表

4.3放大器与变压器的发展

4.4基本屏蔽壳

4.5外壳和公用电源

4.6两地问题

4.7设备和两地问题

4.8应变计

4.9浮动应变计

4.10热电偶

4.11基本低增益差分放大器

4.12电源变压器屏蔽

4.13校准和干扰

4.14超过100kHz的保护屏蔽

4.15模拟电路中的信号流动路径

4.16并联有源器件

4.17反馈稳定性

4.18反馈理论

4.19输出负载和电路稳定性

4.20功率输出级周围的反馈

4.21恒流环

4.22滤波器和混叠误差

4.23隔离和DCDC变换器

4.24电荷变换器

4.25直流电源

4.26保护环

4.27热电偶效应

4.28关于仪器仪表的几点思考

第5章公用电源及设备地

5.1引言

5.2发展历史

5.3术语

5.4公用电源

5.5大地作为导体

5.6中性线与大地连接

5.7地电势差

5.8场耦合到电源导体

5.9中性线导体

5.10变压器K因子

5.11功率因子校正

5.12非接地电源

5.13电源要求

5.14大地电源电流

5.15线路滤波器

5.16隔离地

5.17设备地的更多历史

5.18设备的接地平面

5.19其他接地平面

5.20远程站点接地

5.21延伸接地平面

5.22闪电

5.23闪电和设施

5.24船舶避雷保护

5.25停泊的船舶接地

5.26飞机接地

5.27接地故障中断

5.28隔离变压器

5.29接地与电网

5.30太阳风

第6章辐射

6.1辐射和敏感性

6.2什么是辐射

6.3正弦波与传输线

6.4脉冲和方波的近似计算

6.5元件辐射

6.6偶极子天线

6.7波阻抗

6.8场强和天线增益

6.9环路产生的辐射

6.10E场耦合到环路

6.11印制电路板的辐射

6.12嗅探器和天线

6.13微波炉

第7章辐射屏蔽

7.1带屏蔽的电缆

7.2低噪声电缆

7.3传输阻抗

7.4波导

7.5地平面上方的电磁场

7.6场和导体

7.7导电外壳

7.8感应场穿过外壳壁的耦合

7.9在导体表面的场能量的反射和吸收

7.10独立孔

7.11依赖孔

7.12蜂窝

7.13穿透场总结

7.14电源滤波器

7.15带后罩连接器

7.16场H耦合

7.17垫圈

7.18金属簧片屏蔽条

7.19玻璃孔

7.20大型晶体管保护

7.21表面安装元件

7.22辐射测试仪

7.23屏蔽室

附录A分贝

附录B参考文献

The fifth edition of Grounding and Shielding has been revised throughout. The author has added material on transmission lines, radiation and printed circuit design, all of which are of great current interest because of the smaller dimensions of electronic devices. Material that has been shortened or omitted deals with electric field development and transformer shielding.

本书系统地论述了如何利用电磁场理论来处理各种类型的电子系统设计中的接地与屏蔽技术。书中首先介绍了模拟电路与数字电路设计的基本概念，然后详细讨论了各种电气系统的电磁干扰与抗干扰问题，例如电压与电容、电磁场、电源与设备地、电源配送、模拟与数字电路混合设计、高速电路板布线、电磁辐射，等等。

 [美]拉尔夫·莫里森（Ralph Morrison）  电子工程和干扰控制领域知名专家。拥有三十多年的设计实践和技术顾问经验。在John Wily & Sons公司出版了畅销图书Noise and Other Interfering Signals, Grounding and Shielding in Facilities和Solving Interference Problems in Electronics。