電路設(shè)計(jì)中各種“地”——各種 GND 設(shè)計(jì)

電源地，信號(hào)地，還有大地，這三種地有什么區(qū)別？

電源地主要是針對(duì)電源回路電流所走的路徑而言的，一般來說電源地流過的電流較大，而信號(hào)地主要是針對(duì)兩塊芯片或者模塊之間的通信信號(hào)的回流所流過的路徑，一般來說信號(hào)地流過的電流很小，其實(shí)兩者都是GND，之所以分開來說，是想讓大家明白在布PCB 板時(shí)要清楚地了解電源及信號(hào)回流各自所流過的路徑，然后在布板時(shí)考慮如何避免電源及信號(hào)共用回流路徑，如果共用的話，有可能會(huì)導(dǎo)致電源地上大的電流會(huì)在信號(hào)地上產(chǎn)生一個(gè)電壓差（可以解釋為：導(dǎo)線是有阻抗的，只是很小的阻值，但如果所流過的電流較大時(shí)，也會(huì)在此導(dǎo)線上產(chǎn)生電位差，這也叫共阻抗干擾），使信號(hào)地的真實(shí)電位高于0V，如果信號(hào)地的電位較大時(shí)，有可能會(huì)使信號(hào)本來是高電平的，但卻誤判為低電平。

當(dāng)然電源地本來就很不干凈，這樣做也避免由于干擾使信號(hào)誤判。所以將兩者地在布線時(shí)稍微注意一下，就可以。一般來說即使在一起也不會(huì)產(chǎn)生大的問題，因?yàn)?a href="http://www.1cnz.cn/v/tag/8791/" target="_blank">數(shù)字電路的門限較高。

各種“地”—— 各種“GND”

GND，指的是電線接地端的簡寫。代表地線或0 線。

電路圖上和電路板上的GND(Ground)代表地線或0 線.GND 就是公共端的意思，也可以說是地，但這個(gè)地并不是真正意義上的地。是出于應(yīng)用而假設(shè)的一個(gè)地，對(duì)于電源來說，它就是一個(gè)電源的負(fù)極。它與大地是不同的。有時(shí)候需要將它與大地連接，有時(shí)候也不需要，視具體情況而定。

設(shè)備的信號(hào)接地，可能是以設(shè)備中的一點(diǎn)或一塊金屬來作為信號(hào)的接地參考點(diǎn)，它為設(shè)備中的所有信號(hào)提供了一個(gè)公共參考電位。

有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地，浮地和混合接地。

單點(diǎn)接地是指整個(gè)電路系統(tǒng)中只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，其他各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接接到這一點(diǎn)上。在低頻電路中，布線和元件之間不會(huì)產(chǎn)生太大影響。通常頻率小于1MHz 的電路，采用一點(diǎn)接地。

多點(diǎn)接地是指電子設(shè)備中各個(gè)接地點(diǎn)都直接接到距它最近的接地平面上（即設(shè)備的金屬底板）。在高頻電路中，寄生電容和電感的影響較大。通常頻率大于10MHz 的電路，常采用多點(diǎn)接地。

浮地，即該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。虛地:沒有接地，卻和地等電位的點(diǎn)。

其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響。浮地可使功率地（強(qiáng)電地）和信號(hào)地（弱電地）之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動(dòng)和增加了對(duì)模擬電路的感應(yīng)干擾。

“地”是電子技術(shù)中一個(gè)很重要的概念。由于“地”的分類與作用有多種， 容易混淆,故總結(jié)一下“地”的概念。

“接地”有設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地和設(shè)備接大地，兩者概念不同，目的也不同。“地”的經(jīng)典定義是“作為電路或系統(tǒng)基準(zhǔn)的等電位點(diǎn)或平面”。

一、信號(hào)“地”又稱參考“地”，就是零電位的參考點(diǎn)，也是構(gòu)成電路信號(hào)回路的公共端。

(1) 直流地：直流電路“地”，零電位參考點(diǎn)。

(2) 交流地：交流電的零線。應(yīng)與地線區(qū)別開。

(3) 功率地：大電流網(wǎng)絡(luò)器件、功放器件的零電位參考點(diǎn)。

(4) 模擬地：放大器、采樣保持器、A/D 轉(zhuǎn)換器和比較器的零電位參考點(diǎn)。

(5) 數(shù)字地：也叫邏輯地，是數(shù)字電路的零電位參考點(diǎn)。

(6) “熱地”：開關(guān)電源無需使用工頻變壓器，其開關(guān)電路的“地”和市電電網(wǎng)有關(guān)，即所謂的“熱地”，它是帶電的。

(7) “冷地”：由于開關(guān)電源的高頻變壓器將輸入、輸出端隔離；又由于其反饋電路常用光電耦合器，既能傳送反饋信號(hào)，又將雙方的“地”隔離；所以輸出端的地稱之為“冷地”，它不帶電。

信號(hào)接地

設(shè)備的信號(hào)接地，可能是以設(shè)備中的一點(diǎn)或一塊金屬來作為信號(hào)的接地參考點(diǎn)，它為設(shè)備中的所有信號(hào)提供了一個(gè)公共參考電位。

有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地，浮地和混合接地。（這里主要介紹浮地）單點(diǎn)接地是指整個(gè)電路系統(tǒng)中只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，其他各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接接到這一點(diǎn)上。在低頻電路中，布線和元件之間不會(huì)產(chǎn)生太大影響。通常頻率小于1MHz 的電路，采用一點(diǎn)接地。多點(diǎn)接地是指電子設(shè)備中各個(gè)接地點(diǎn)都直接接到距它最近的接地平面上（即設(shè)備的金屬

底板）。在高頻電路中，寄生電容和電感的影響較大。通常頻率大于10MHz 的電路，常采用多點(diǎn)接地。浮地，即該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。『虛地:沒有接地，卻和地等電位的點(diǎn)。』其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響。浮地可使功率地（強(qiáng)電地）和信號(hào)地（弱電地）之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動(dòng)和增加了對(duì)模擬電路的感應(yīng)干擾。一個(gè)折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個(gè)阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗，太低的電阻會(huì)影響設(shè)備泄漏電流的合格性。

1：浮地技術(shù)的應(yīng)用

a 交流電源地與直流電源地分開

一般交流電源的零線是接地的。但由于存在接地電阻和其上流過的電流，導(dǎo)致電源的零線電位并非為大地的零電位。另外，交流電源的零線上往往存在很多干擾，如果交流電源地與直流電源地不分開，將對(duì)直流電源和后續(xù)的直流電路正常工作產(chǎn)生影響。因此，采用把交流電源地與直流電源地分開的浮地技術(shù)，可以隔離來自交流電源地線的干擾。

b 放大器的浮地技術(shù)

對(duì)于放大器而言，特別是微小輸入信號(hào)和高增益的放大器，在輸入端的任何微小的干擾信號(hào)都可能導(dǎo)致工作異常。因此，采用放大器的浮地技術(shù)，可以阻斷干擾信號(hào)的進(jìn)入，提高放大器的電磁兼容能力。

c 浮地技術(shù)的注意事項(xiàng)

1）盡量提高浮地系統(tǒng)的對(duì)地絕緣電阻，從而有利于降低進(jìn)入浮地系統(tǒng)之中的共模干擾電流。

2）注意浮地系統(tǒng)對(duì)地存在的寄生電容，高頻干擾信號(hào)通過寄生電容仍然可能耦合到浮地系統(tǒng)之中。

3）浮地技術(shù)必須與屏蔽、隔離等電磁兼容性技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用，才能收到更好的預(yù)期效果。

4）采用浮地技術(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意靜電和電壓反擊對(duì)設(shè)備和人身的危害。

2：混合接地

混合接地使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時(shí)呈現(xiàn)不同的特性，這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對(duì)低頻和直流有較高的阻抗，因此能夠避免兩模塊之間的地環(huán)路形成。當(dāng)將直流地和射頻地分開時(shí)，將每個(gè)子系統(tǒng)的直流地通過10～100nF 的電容器接到射頻地上，這兩種地應(yīng)在一點(diǎn)有低阻抗連接起來，連接點(diǎn)應(yīng)選在最高翻轉(zhuǎn)速度（di/dt）信號(hào)存在的點(diǎn)。

二： 設(shè)備接大地

在工程實(shí)踐中，除認(rèn)真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地外，通常還將設(shè)備的信號(hào)地，機(jī)殼與大地連在一起，以大地作為設(shè)備的接地參考點(diǎn)。設(shè)備接大地的目的是

1）保護(hù)地，保護(hù)接地就是將設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)不帶電的金屬外殼（或構(gòu)架）和接地裝置之間作良好的電氣連接。為了保護(hù)人員安全而設(shè)置的一種接線方式。保護(hù)“地”線一端接用電器外殼，另一端與大地作可靠連接。

2）防靜電接地，泄放機(jī)箱上所積累的電荷，避免電荷積累使機(jī)箱電位升高，造成電路工作的不穩(wěn)定。

3）屏蔽地，避免設(shè)備在外界電磁環(huán)境的作用下使設(shè)備對(duì)大地的電位發(fā)生變化，造成設(shè)備工作的不穩(wěn)定。此外還有防雷接地和音響中的音頻專用地等等。

三、就接地問題提出一些看法：

（1）控制系統(tǒng)宜采用一點(diǎn)接地。一般情況下,高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地，低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地。在低頻電路中，布線和元件間的電感并不是什么大問題，然而接地形成的環(huán)路的干擾影響很大，因此，常以一點(diǎn)作為接地點(diǎn)；但一點(diǎn)接地不適用于高頻，因?yàn)楦哳l時(shí)，地線上具有電感因而增加了地線阻抗，同時(shí)各地線之間又產(chǎn)生電感耦合。一般來說，頻率在1MHz 以下,可用一點(diǎn)接地；高于10MHz 時(shí)，采用多點(diǎn)接地；在1～10MHz 之間可用一點(diǎn)接地，也可用多點(diǎn)接地。

（2）交流地與信號(hào)地不能共用。由于在一段電源地線的兩點(diǎn)間會(huì)有數(shù)mV 甚至幾V 電壓，對(duì)低電平信號(hào)電路來說，這是一個(gè)非常重要的干擾，因此必須加以隔離和防止。

（3）浮地與接地的比較。全機(jī)浮空即系統(tǒng)各個(gè)部分與大地浮置起來，這種方法簡單，但整個(gè)系統(tǒng)與大地絕緣電阻不能小于50MΩ。這種方法具有一定的抗干擾能力，但一旦絕緣下降就會(huì)帶來干擾。還有一種方法，就是將機(jī)殼接地，其余部分浮空。這種方法抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠，但實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。

（4）模擬地。模擬地的接法十分重要。為了提高抗共模干擾能力，對(duì)于模擬信號(hào)可采用屏蔽浮技術(shù)。對(duì)于具體模擬量信號(hào)的接地處理要嚴(yán)格按照操作手冊(cè)上的要求設(shè)計(jì)。

（5）屏蔽地。在控制系統(tǒng)中為了減少信號(hào)中電容耦合噪聲、準(zhǔn)確檢測和控制，對(duì)信號(hào)采用屏蔽措施是十分必要的。根據(jù)屏蔽目的不同，屏蔽地的接法也不一樣。電場屏蔽解決分布電容問題，一般接大地；電磁場屏蔽主要避免雷達(dá)、電臺(tái)等高頻電磁場輻射干擾。利用低阻金屬材料高導(dǎo)流而制成，可接大地。磁場屏蔽用以防磁鐵、電機(jī)、變壓器、線圈等磁感應(yīng)，其屏蔽方法是用高導(dǎo)磁材料使磁路閉合，一般接大地為好。當(dāng)信號(hào)電路是一點(diǎn)接地時(shí)，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地。如果電纜的屏蔽層地點(diǎn)有一個(gè)以上時(shí)，將產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。當(dāng)一個(gè)電路有一個(gè)不接地的信號(hào)源與系統(tǒng)中接地的放大器相連時(shí)，輸入端的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端；相反，當(dāng)接地的信號(hào)源與系統(tǒng)中不接地的放大器相連時(shí)，放大器的輸入端也應(yīng)接到信號(hào)源的公共端。

對(duì)于電氣系統(tǒng)的接地，要按接地的要求和目的分類，不能將不同類接地簡單地、任意地連接在一起，而是要分成若干獨(dú)立的接地子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都有其共同的接地點(diǎn)或接地干線，最后才連接在一起，實(shí)行總接地。

相關(guān)問題解答

Q1為什么要接地?

Answer接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設(shè)備遭雷擊而采取的保護(hù)性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護(hù)建筑物的作用。同時(shí)，接地也是保護(hù)人身安全的一種有效手段，當(dāng)某種原因引起的相線（如電線絕緣不良，線路老化等）和設(shè)備外殼碰觸時(shí)，設(shè)備的外殼就會(huì)有危險(xiǎn)電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會(huì)流經(jīng)PE 線到大地，從而起到保護(hù)作用。隨著電子通信和其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展，在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。

比如在通信系統(tǒng)中，大量設(shè)備之間信號(hào)的互連要求各設(shè)備都要有一個(gè)基準(zhǔn)‘地’作為信號(hào)的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號(hào)頻率越來越高，因此，在接地設(shè)計(jì)中，信號(hào)之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當(dāng)就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。最近，高速信號(hào)的信號(hào)回流技術(shù)中也引入了“地”的概念。

Q2接地的定義

Answer在現(xiàn)代接地概念中、對(duì)于線路工程師來說，該術(shù)語的含義通常是‘線路電壓的參考點(diǎn)’；對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說，它常常是機(jī)柜或機(jī)架；對(duì)電氣工程師來說，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個(gè)比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。

Q3常見的接地符號(hào)

AnswerPE,PGND,FG－保護(hù)地或機(jī)殼；BGND 或DC-RETURN－直流－48V(+24V)電源（電池）回流；GND－工作地；DGND－數(shù)字地；AGND－模擬地；LGND－防雷保護(hù)地

GND 在電路里常被定為電壓參考基點(diǎn)。

從電氣意義上說，GND 分為電源地和信號(hào)地。PG 是Power Ground（電源地）的縮寫。另一個(gè)是Signal Ground（信號(hào)地）。實(shí)際上它們可能是連在一起的（不一定是混在一起哦！）。

兩個(gè)名稱，主要是便于對(duì)電路進(jìn)行分析。

進(jìn)一步說，還有因電路形式不同而必須區(qū)分的兩種“地”：數(shù)字地，模擬地。

數(shù)字地和模擬地都有信號(hào)地、電源地兩種情況。數(shù)字地和模擬地之間，某些電路可以直接連接，有些電路要用電抗器連接，有些電路不可連接。

Q4合適的接地方式

Answer接地有多種方式，有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地以及混合類型的接地。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來說，單點(diǎn)接地用于簡單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分，以及低頻（f<1MHz）電子線路。當(dāng)設(shè)計(jì)高頻（f>10MHz）電路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板（完整的地平面層）。

Q5信號(hào)回流和跨分割的介紹

Answer對(duì)于一個(gè)電子信號(hào)來說，它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這個(gè)信號(hào)回流就變得非常的關(guān)鍵。

第一，根據(jù)公式可以知道，輻射強(qiáng)度是和回路面積成正比的，就是說回流需要走的路徑越長，形成的環(huán)越大，它對(duì)外輻射的干擾也越大，所以，PCB 布板的時(shí)候要盡可能減小電源回路和信號(hào)回路面積。

第二，對(duì)于一個(gè)高速信號(hào)來說，提供有好的信號(hào)回流可以保證它的信號(hào)質(zhì)量，這是因?yàn)镻CB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來計(jì)算的，如果高速線附近有連續(xù)的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù)，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會(huì)發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗從而會(huì)影響到信號(hào)的完整性。所以，布線的時(shí)候要把高速線分配到靠近地平面的層，或者高速線旁邊并行走一兩條地線，起到屏蔽和就近提供回流的功能。

第三，為什么說布線的時(shí)候盡量不要跨電源分割，這也是因?yàn)樾盘?hào)跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會(huì)很長了，容易受到干擾。當(dāng)然，不是嚴(yán)格要求不能跨越電源分割，對(duì)于低速的信號(hào)是可以的，因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號(hào)可以不予關(guān)心。對(duì)于高速信號(hào)就要認(rèn)真檢查，盡量不要跨越，可以通過調(diào)整電源部分的走線。（這是針對(duì)多層板多個(gè)電源供應(yīng)情況說的）

Q6為什么要將模擬地和數(shù)字地分開，如何分開?

Answer模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都要回流到地，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會(huì)很大，而模擬信號(hào)是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會(huì)影響到模擬信號(hào)。

一般來說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細(xì)的走線連在一起，或者單點(diǎn)接在一起。總的思想是盡量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開，如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。

Q7單板上的信號(hào)如何接地?

Answer對(duì)于一般器件來說，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)后，對(duì)于一般信號(hào)的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過孔數(shù)量；靠近地平面或者電源平面，等等。

Q8單板的接口器件如何接地?

Answer有些單板會(huì)有對(duì)外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網(wǎng)口RJ45 連接器等等，如果對(duì)它們的接地設(shè)計(jì)得不好也會(huì)影響到正常工作，例如網(wǎng)口互連有誤碼，丟包等，并且會(huì)成為對(duì)外的電磁干擾源，把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會(huì)單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地，與信號(hào)地的連接采用細(xì)的走線連接，可以串上0 歐姆或者小阻值的電阻。細(xì)的走線可以用來阻隔信號(hào)地上噪音過到接口地上來。同樣的，對(duì)接口地和接口電源的濾波也要認(rèn)真考慮。

Q9帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?

Answer屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號(hào)地上，這是因?yàn)樾盘?hào)地上有各種的噪聲，如果屏蔽層接到了信號(hào)地上，噪聲電壓會(huì)驅(qū)動(dòng)共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設(shè)計(jì)不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈