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地線GND，*“簡(jiǎn)單”又*“困難”
日期：2024-10-18 07:20
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摘要： 在PCB Layout布線過(guò)程中，工程師都會(huì)面臨不同的GND處理。
這是為什么呢？在電路原理設(shè)計(jì)階段，為了降低電路之間的互相干擾，工程師一般會(huì)引入不同的GND地線，作為不同功能電路的0V參考點(diǎn)，形成不同的電流回路。
GND地線的分類
1. 模擬地線AGND
模擬地線AGND，主要是用在模擬電路部分，如模擬傳感器的ADC采集電路，運(yùn)算放大比例電路等等。在這些模擬電路中，由于信號(hào)是模擬信號(hào)，是微弱信號(hào)，很容易受到其他電路的大電流影響。如果不加以區(qū)分，大電流會(huì)在模擬電路中產(chǎn)生大的壓降，會(huì)使得模擬信號(hào)失...
在PCB Layout布線過(guò)程中，工程師都會(huì)面臨不同的GND處理。
這是為什么呢？在電路原理設(shè)計(jì)階段，為了降低電路之間的互相干擾，工程師一般會(huì)引入不同的GND地線，作為不同功能電路的0V參考點(diǎn)，形成不同的電流回路。
GND地線的分類
1. 模擬地線AGND
模擬地線AGND，主要是用在模擬電路部分，如模擬傳感器的ADC采集電路，運(yùn)算放大比例電路等等。在這些模擬電路中，由于信號(hào)是模擬信號(hào)，是微弱信號(hào)，很容易受到其他電路的大電流影響。如果不加以區(qū)分，大電流會(huì)在模擬電路中產(chǎn)生大的壓降，會(huì)使得模擬信號(hào)失真，嚴(yán)重可能會(huì)造成模擬電路功能失效。
2. 數(shù)字地線DGND
數(shù)字地線DGND，顯然是相對(duì)模擬地線AGND而言，主要是用于數(shù)字電路部分，比如按鍵檢測(cè)電路，USB通信電路，單片機(jī)電路等等。
大功率電路，顧名思義，是電流比較大的電路。很顯然大的電流，容易造成不同功能電路之間的地偏移現(xiàn)象，如下圖所示。
一旦電路中存在地偏移，那么原來(lái)的5V電壓就可能不是5V了，而是變成了4V。因?yàn)?V電壓是參考GND地線0V而言，如果地偏移使得GND地線由0V抬升到了1V，那么之前的5V（5V-0V=5V）電壓就變成了現(xiàn)在的4V（5V-1V=4V）了。
4. 電源地線GND
模擬地線AGND，和數(shù)字地線DGND以及功率地線PGND，都被歸類為直流地線GND。這些不同種類的地線，*后都要匯集在一起，作為整個(gè)電路的0V參考地線，這個(gè)地線叫做電源地線GND。
電源，是所有電路的能量來(lái)源。所有電路工作需要的電壓電流，均是來(lái)自電源。因此電源的地線GND，是所有電路的0V電壓參考點(diǎn)。
這就是為什么其他類型的地線，無(wú)論是模擬地線AGND，數(shù)字地線DGND還是功率地線PGND，*后都需要與電源地線GND匯集在一起。
5. 交流地線CGND
交流地線CGND，一般是存在于含有交流電源的電路項(xiàng)目中，如AC-DC交流轉(zhuǎn)直流電源電路。
AC-DC電源電路，分為兩個(gè)部分。電路中的前級(jí)是AC交流部分，電路中的后級(jí)是DC直流部分，這就被迫形成了兩個(gè)地線，一個(gè)是交流地線，另一個(gè)是直流地線。
交流地線作為交流電路部分的0V參考點(diǎn)，直流地線作為直流電路部分的0V參考點(diǎn)。通常為了在電路中統(tǒng)一一個(gè)地線GND，工程師會(huì)將交流地線通過(guò)一個(gè)耦合電容或者電感與直流地線連接在一起。
6. 大地地線EGND
人體的**電壓是在36V以下，超過(guò)36V的電壓如果施加在人體身上，會(huì)導(dǎo)致人體受到損傷，這是工程師在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)電路項(xiàng)目方案的一個(gè)**常識(shí)。
為了增強(qiáng)電路的**系數(shù)，工程師一般在高壓大電流的項(xiàng)目中使用大地的地線EGND，例如在家用電器電風(fēng)扇、電冰箱、電視機(jī)等電路中。具有大地地線EGND保護(hù)功能的插座，如下圖所示。
家用電器的插座，為什么是3個(gè)接線端子？220V交流電只需要火線和零線，兩根就可以，那為什么插座是3個(gè)接線端子呢？
插座的3個(gè)接線端子，其中的兩個(gè)端子是用于220V的火線和零線，另外一個(gè)端子就是起保護(hù)作用的大地地線EGND。它僅僅是連接到我們的地球，起到高壓保護(hù)作用，沒(méi)有參與項(xiàng)目電路功能，與電路功能無(wú)關(guān)。
所以大地地線EGND，與其他類型的地線GND是存在明顯電路含義區(qū)別的。
GND地線的原理
工程師可能會(huì)問(wèn)，一個(gè)地線GND怎么會(huì)有這么多區(qū)分，簡(jiǎn)單的電路問(wèn)題怎么弄得這么復(fù)雜？
為什么需要引入這么多細(xì)分的GND地線功能呢？工程師一般針對(duì)這類GND地線設(shè)計(jì)問(wèn)題，都簡(jiǎn)單的統(tǒng)一命名為GND，在原理圖設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有加以區(qū)分，導(dǎo)致在PCB布線的時(shí)候很難有效識(shí)別不同電路功能的GND地線，直接簡(jiǎn)單地將所有GND地線連接在一起。
雖然這樣操作簡(jiǎn)便，但這將導(dǎo)致一系列問(wèn)題：
1. 信號(hào)串?dāng)_
假如將不同功能的地線GND直接連接在一起，大功率電路通過(guò)地線GND，會(huì)影響小功率電路的0V參考點(diǎn)GND，這樣就產(chǎn)生了不同電路信號(hào)之間的串?dāng)_。
2. 信號(hào)精度
模擬電路，它的考核核心指標(biāo)就是信號(hào)的精度。失去精度，模擬電路也就失去了原本的功能意義。
交流電源的地線CGND由于是正弦波，是周期性的上下波動(dòng)變化，它的電壓也是上下波動(dòng)，不是像直流地線GND一樣始終維持在一個(gè)0V上不變。
將不同電路的地線GND連接在一起，周期性變化的交流地線CGND會(huì)帶動(dòng)模擬電路的地線AGND變化，這樣就影響了模擬信號(hào)的電壓精度值了。
3. EMC實(shí)驗(yàn)
信號(hào)越弱，對(duì)外的電磁輻射EMC也就越弱；信號(hào)越強(qiáng)，對(duì)外的電磁輻射EMC也就越強(qiáng)。
假如將不同電路的地線GND連接在一起，信號(hào)強(qiáng)電路的地線GND，直接干擾了信號(hào)弱電路的地線GND。其后果是原本信號(hào)弱的電磁輻射EMC，也成為了對(duì)外電磁輻射強(qiáng)的信號(hào)源，增加了電路處理EMC實(shí)驗(yàn)的難度。
4. 電路可靠性
電路系統(tǒng)之間，信號(hào)連接的部分越少，電路獨(dú)立運(yùn)行的能力越強(qiáng)；信號(hào)連接的部分越多，電路獨(dú)立運(yùn)行的能力就越弱。
試想，如果兩個(gè)電路系統(tǒng)A和電路系統(tǒng)B，沒(méi)有任何的交集，電路系統(tǒng)A的功能好壞顯然是不能影響電路系統(tǒng)B的正常工作，同樣電路系統(tǒng)B的功能好壞也是不能影響電路系統(tǒng)A的正常工作。
這就好比一對(duì)陌生男女，在沒(méi)有成為戀人之前，女生的情緒變化是不會(huì)影響這個(gè)男生的心情的，因?yàn)樗麄儧](méi)有任何交集。
假如在電路系統(tǒng)中，將不同功能的電路地線連接在一起，就相當(dāng)于增加了電路之間干擾的一個(gè)聯(lián)系紐帶，也即降低了電路運(yùn)行的可靠性。
這是為什么呢？在電路原理設(shè)計(jì)階段，為了降低電路之間的互相干擾，工程師一般會(huì)引入不同的GND地線，作為不同功能電路的0V參考點(diǎn)，形成不同的電流回路。
GND地線的分類
1. 模擬地線AGND
模擬地線AGND，主要是用在模擬電路部分，如模擬傳感器的ADC采集電路，運(yùn)算放大比例電路等等。在這些模擬電路中，由于信號(hào)是模擬信號(hào)，是微弱信號(hào)，很容易受到其他電路的大電流影響。如果不加以區(qū)分，大電流會(huì)在模擬電路中產(chǎn)生大的壓降，會(huì)使得模擬信號(hào)失真，嚴(yán)重可能會(huì)造成模擬電路功能失效。
2. 數(shù)字地線DGND
數(shù)字地線DGND，顯然是相對(duì)模擬地線AGND而言，主要是用于數(shù)字電路部分，比如按鍵檢測(cè)電路，USB通信電路，單片機(jī)電路等等。
之所以設(shè)立數(shù)字地線DGND，是因?yàn)閿?shù)字電路具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，都屬于離散型的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，只有數(shù)字“0”和數(shù)字“1”區(qū)分，如下圖所示。
沒(méi)辦法，為了降低電路的EMC輻射影響，必須使用一個(gè)單獨(dú)的數(shù)字地線DGND，讓其他電路得到有效的隔離。
3. 功率地線PGND
模擬地線AGND也好，數(shù)字地線DGND也罷，它們都是小功率電路。在大功率電路中，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電磁閥驅(qū)動(dòng)電路等等，也是存在一個(gè)單獨(dú)的參考地線，這個(gè)參考地線叫做功率地線PGND。大功率電路，顧名思義，是電流比較大的電路。很顯然大的電流，容易造成不同功能電路之間的地偏移現(xiàn)象，如下圖所示。
一旦電路中存在地偏移，那么原來(lái)的5V電壓就可能不是5V了，而是變成了4V。因?yàn)?V電壓是參考GND地線0V而言，如果地偏移使得GND地線由0V抬升到了1V，那么之前的5V（5V-0V=5V）電壓就變成了現(xiàn)在的4V（5V-1V=4V）了。
4. 電源地線GND
模擬地線AGND，和數(shù)字地線DGND以及功率地線PGND，都被歸類為直流地線GND。這些不同種類的地線，*后都要匯集在一起，作為整個(gè)電路的0V參考地線，這個(gè)地線叫做電源地線GND。
電源，是所有電路的能量來(lái)源。所有電路工作需要的電壓電流，均是來(lái)自電源。因此電源的地線GND，是所有電路的0V電壓參考點(diǎn)。
這就是為什么其他類型的地線，無(wú)論是模擬地線AGND，數(shù)字地線DGND還是功率地線PGND，*后都需要與電源地線GND匯集在一起。
5. 交流地線CGND
交流地線CGND，一般是存在于含有交流電源的電路項(xiàng)目中，如AC-DC交流轉(zhuǎn)直流電源電路。
AC-DC電源電路，分為兩個(gè)部分。電路中的前級(jí)是AC交流部分，電路中的后級(jí)是DC直流部分，這就被迫形成了兩個(gè)地線，一個(gè)是交流地線，另一個(gè)是直流地線。
交流地線作為交流電路部分的0V參考點(diǎn)，直流地線作為直流電路部分的0V參考點(diǎn)。通常為了在電路中統(tǒng)一一個(gè)地線GND，工程師會(huì)將交流地線通過(guò)一個(gè)耦合電容或者電感與直流地線連接在一起。
6. 大地地線EGND
人體的**電壓是在36V以下，超過(guò)36V的電壓如果施加在人體身上，會(huì)導(dǎo)致人體受到損傷，這是工程師在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)電路項(xiàng)目方案的一個(gè)**常識(shí)。
為了增強(qiáng)電路的**系數(shù)，工程師一般在高壓大電流的項(xiàng)目中使用大地的地線EGND，例如在家用電器電風(fēng)扇、電冰箱、電視機(jī)等電路中。具有大地地線EGND保護(hù)功能的插座，如下圖所示。
家用電器的插座，為什么是3個(gè)接線端子？220V交流電只需要火線和零線，兩根就可以，那為什么插座是3個(gè)接線端子呢？
插座的3個(gè)接線端子，其中的兩個(gè)端子是用于220V的火線和零線，另外一個(gè)端子就是起保護(hù)作用的大地地線EGND。它僅僅是連接到我們的地球，起到高壓保護(hù)作用，沒(méi)有參與項(xiàng)目電路功能，與電路功能無(wú)關(guān)。
所以大地地線EGND，與其他類型的地線GND是存在明顯電路含義區(qū)別的。
GND地線的原理
工程師可能會(huì)問(wèn)，一個(gè)地線GND怎么會(huì)有這么多區(qū)分，簡(jiǎn)單的電路問(wèn)題怎么弄得這么復(fù)雜？
為什么需要引入這么多細(xì)分的GND地線功能呢？工程師一般針對(duì)這類GND地線設(shè)計(jì)問(wèn)題，都簡(jiǎn)單的統(tǒng)一命名為GND，在原理圖設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有加以區(qū)分，導(dǎo)致在PCB布線的時(shí)候很難有效識(shí)別不同電路功能的GND地線，直接簡(jiǎn)單地將所有GND地線連接在一起。
雖然這樣操作簡(jiǎn)便，但這將導(dǎo)致一系列問(wèn)題：
1. 信號(hào)串?dāng)_
假如將不同功能的地線GND直接連接在一起，大功率電路通過(guò)地線GND，會(huì)影響小功率電路的0V參考點(diǎn)GND，這樣就產(chǎn)生了不同電路信號(hào)之間的串?dāng)_。
2. 信號(hào)精度
模擬電路，它的考核核心指標(biāo)就是信號(hào)的精度。失去精度，模擬電路也就失去了原本的功能意義。
交流電源的地線CGND由于是正弦波，是周期性的上下波動(dòng)變化，它的電壓也是上下波動(dòng)，不是像直流地線GND一樣始終維持在一個(gè)0V上不變。
將不同電路的地線GND連接在一起，周期性變化的交流地線CGND會(huì)帶動(dòng)模擬電路的地線AGND變化，這樣就影響了模擬信號(hào)的電壓精度值了。
3. EMC實(shí)驗(yàn)
信號(hào)越弱，對(duì)外的電磁輻射EMC也就越弱；信號(hào)越強(qiáng)，對(duì)外的電磁輻射EMC也就越強(qiáng)。
假如將不同電路的地線GND連接在一起，信號(hào)強(qiáng)電路的地線GND，直接干擾了信號(hào)弱電路的地線GND。其后果是原本信號(hào)弱的電磁輻射EMC，也成為了對(duì)外電磁輻射強(qiáng)的信號(hào)源，增加了電路處理EMC實(shí)驗(yàn)的難度。
4. 電路可靠性
電路系統(tǒng)之間，信號(hào)連接的部分越少，電路獨(dú)立運(yùn)行的能力越強(qiáng)；信號(hào)連接的部分越多，電路獨(dú)立運(yùn)行的能力就越弱。
試想，如果兩個(gè)電路系統(tǒng)A和電路系統(tǒng)B，沒(méi)有任何的交集，電路系統(tǒng)A的功能好壞顯然是不能影響電路系統(tǒng)B的正常工作，同樣電路系統(tǒng)B的功能好壞也是不能影響電路系統(tǒng)A的正常工作。
這就好比一對(duì)陌生男女，在沒(méi)有成為戀人之前，女生的情緒變化是不會(huì)影響這個(gè)男生的心情的，因?yàn)樗麄儧](méi)有任何交集。
假如在電路系統(tǒng)中，將不同功能的電路地線連接在一起，就相當(dāng)于增加了電路之間干擾的一個(gè)聯(lián)系紐帶，也即降低了電路運(yùn)行的可靠性。
