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地線GND，*“簡單”又*“困難”
日期：2024-10-18 07:20
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摘要： 在PCB Layout布線過程中，工程師都會面臨不同的GND處理。
這是為什么呢？在電路原理設(shè)計階段，為了降低電路之間的互相干擾，工程師一般會引入不同的GND地線，作為不同功能電路的0V參考點，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，運算放大比例電路等等。在這些模擬電路中，由于信號是模擬信號，是微弱信號，很容易受到其他電路的大電流影響。如果不加以區(qū)分，大電流會在模擬電路中產(chǎn)生大的壓降，會使得模擬信號失...
在PCB Layout布線過程中，工程師都會面臨不同的GND處理。
這是為什么呢？在電路原理設(shè)計階段，為了降低電路之間的互相干擾，工程師一般會引入不同的GND地線，作為不同功能電路的0V參考點，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，運算放大比例電路等等。在這些模擬電路中，由于信號是模擬信號，是微弱信號，很容易受到其他電路的大電流影響。如果不加以區(qū)分，大電流會在模擬電路中產(chǎn)生大的壓降，會使得模擬信號失真，嚴(yán)重可能會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，比如按鍵檢測電路，USB通信電路，單片機電路等等。
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，那么原來的5V電壓就可能不是5V了，而是變成了4V。因為5V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，作為整個電路的0V參考地線，這個地線叫做電源地線GND。
電源，是所有電路的能量來源。所有電路工作需要的電壓電流，均是來自電源。因此電源的地線GND，是所有電路的0V電壓參考點。
這就是為什么其他類型的地線，無論是模擬地線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，分為兩個部分。電路中的前級是AC交流部分，電路中的后級是DC直流部分，這就被迫形成了兩個地線，一個是交流地線，另一個是直流地線。
交流地線作為交流電路部分的0V參考點，直流地線作為直流電路部分的0V參考點。通常為了在電路中統(tǒng)一一個地線GND，工程師會將交流地線通過一個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36V的電壓如果施加在人體身上，會導(dǎo)致人體受到損傷，這是工程師在開發(fā)設(shè)計電路項目方案的一個**常識。
為了增強電路的**系數(shù)，工程師一般在高壓大電流的項目中使用大地的地線EGND，例如在家用電器電風(fēng)扇、電冰箱、電視機等電路中。具有大地地線EGND保護功能的插座，如下圖所示。
家用電器的插座，為什么是3個接線端子？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個接線端子呢？
插座的3個接線端子，其中的兩個端子是用于220V的火線和零線，另外一個端子就是起保護作用的大地地線EGND。它僅僅是連接到我們的地球，起到高壓保護作用，沒有參與項目電路功能，與電路功能無關(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
工程師可能會問，一個地線GND怎么會有這么多區(qū)分，簡單的電路問題怎么弄得這么復(fù)雜？
為什么需要引入這么多細(xì)分的GND地線功能呢？工程師一般針對這類GND地線設(shè)計問題，都簡單的統(tǒng)一命名為GND，在原理圖設(shè)計過程中沒有加以區(qū)分，導(dǎo)致在PCB布線的時候很難有效識別不同電路功能的GND地線，直接簡單地將所有GND地線連接在一起。
雖然這樣操作簡便，但這將導(dǎo)致一系列問題：
1. 信號串?dāng)_
假如將不同功能的地線GND直接連接在一起，大功率電路通過地線GND，會影響小功率電路的0V參考點GND，這樣就產(chǎn)生了不同電路信號之間的串?dāng)_。
2. 信號精度
模擬電路，它的考核核心指標(biāo)就是信號的精度。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變化，它的電壓也是上下波動，不是像直流地線GND一樣始終維持在一個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會帶動模擬電路的地線AGND變化，這樣就影響了模擬信號的電壓精度值了。
3. EMC實驗
信號越弱，對外的電磁輻射EMC也就越弱；信號越強，對外的電磁輻射EMC也就越強。
假如將不同電路的地線GND連接在一起，信號強電路的地線GND，直接干擾了信號弱電路的地線GND。其后果是原本信號弱的電磁輻射EMC，也成為了對外電磁輻射強的信號源，增加了電路處理EMC實驗的難度。
4. 電路可靠性
電路系統(tǒng)之間，信號連接的部分越少，電路獨立運行的能力越強；信號連接的部分越多，電路獨立運行的能力就越弱。
試想，如果兩個電路系統(tǒng)A和電路系統(tǒng)B，沒有任何的交集，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。
這就好比一對陌生男女，在沒有成為戀人之前，女生的情緒變化是不會影響這個男生的心情的，因為他們沒有任何交集。
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聯(lián)系紐帶，也即降低了電路運行的可靠性。
這是為什么呢？在電路原理設(shè)計階段，為了降低電路之間的互相干擾，工程師一般會引入不同的GND地線，作為不同功能電路的0V參考點，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，運算放大比例電路等等。在這些模擬電路中，由于信號是模擬信號，是微弱信號，很容易受到其他電路的大電流影響。如果不加以區(qū)分，大電流會在模擬電路中產(chǎn)生大的壓降，會使得模擬信號失真，嚴(yán)重可能會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，比如按鍵檢測電路，USB通信電路，單片機電路等等。
之所以設(shè)立數(shù)字地線DGND，是因為數(shù)字電路具有一個共同的特點，都屬于離散型的開關(guān)量信號，只有數(shù)字“0”和數(shù)字“1”區(qū)分，如下圖所示。
沒辦法，為了降低電路的EMC輻射影響，必須使用一個單獨的數(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，如電機驅(qū)動電路，電磁閥驅(qū)動電路等等，也是存在一個單獨的參考地線，這個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，那么原來的5V電壓就可能不是5V了，而是變成了4V。因為5V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，作為整個電路的0V參考地線，這個地線叫做電源地線GND。
電源，是所有電路的能量來源。所有電路工作需要的電壓電流，均是來自電源。因此電源的地線GND，是所有電路的0V電壓參考點。
這就是為什么其他類型的地線，無論是模擬地線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，分為兩個部分。電路中的前級是AC交流部分，電路中的后級是DC直流部分，這就被迫形成了兩個地線，一個是交流地線，另一個是直流地線。
交流地線作為交流電路部分的0V參考點，直流地線作為直流電路部分的0V參考點。通常為了在電路中統(tǒng)一一個地線GND，工程師會將交流地線通過一個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36V的電壓如果施加在人體身上，會導(dǎo)致人體受到損傷，這是工程師在開發(fā)設(shè)計電路項目方案的一個**常識。
為了增強電路的**系數(shù)，工程師一般在高壓大電流的項目中使用大地的地線EGND，例如在家用電器電風(fēng)扇、電冰箱、電視機等電路中。具有大地地線EGND保護功能的插座，如下圖所示。
家用電器的插座，為什么是3個接線端子？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個接線端子呢？
插座的3個接線端子，其中的兩個端子是用于220V的火線和零線，另外一個端子就是起保護作用的大地地線EGND。它僅僅是連接到我們的地球，起到高壓保護作用，沒有參與項目電路功能，與電路功能無關(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
工程師可能會問，一個地線GND怎么會有這么多區(qū)分，簡單的電路問題怎么弄得這么復(fù)雜？
為什么需要引入這么多細(xì)分的GND地線功能呢？工程師一般針對這類GND地線設(shè)計問題，都簡單的統(tǒng)一命名為GND，在原理圖設(shè)計過程中沒有加以區(qū)分，導(dǎo)致在PCB布線的時候很難有效識別不同電路功能的GND地線，直接簡單地將所有GND地線連接在一起。
雖然這樣操作簡便，但這將導(dǎo)致一系列問題：
1. 信號串?dāng)_
假如將不同功能的地線GND直接連接在一起，大功率電路通過地線GND，會影響小功率電路的0V參考點GND，這樣就產(chǎn)生了不同電路信號之間的串?dāng)_。
2. 信號精度
模擬電路，它的考核核心指標(biāo)就是信號的精度。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變化，它的電壓也是上下波動，不是像直流地線GND一樣始終維持在一個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會帶動模擬電路的地線AGND變化，這樣就影響了模擬信號的電壓精度值了。
3. EMC實驗
信號越弱，對外的電磁輻射EMC也就越弱；信號越強，對外的電磁輻射EMC也就越強。
假如將不同電路的地線GND連接在一起，信號強電路的地線GND，直接干擾了信號弱電路的地線GND。其后果是原本信號弱的電磁輻射EMC，也成為了對外電磁輻射強的信號源，增加了電路處理EMC實驗的難度。
4. 電路可靠性
電路系統(tǒng)之間，信號連接的部分越少，電路獨立運行的能力越強；信號連接的部分越多，電路獨立運行的能力就越弱。
試想，如果兩個電路系統(tǒng)A和電路系統(tǒng)B，沒有任何的交集，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。
這就好比一對陌生男女，在沒有成為戀人之前，女生的情緒變化是不會影響這個男生的心情的，因為他們沒有任何交集。
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聯(lián)系紐帶，也即降低了電路運行的可靠性。
