問(wèn)一個(gè)簡(jiǎn)單而又很難回答的電路問(wèn)題：電路中的地線(xiàn)GND，它的本質(zhì)是什么？
在PCB Layout布線(xiàn)過(guò)程中，工程師都會(huì )面臨不同的GND處理。
這是為什么呢？在電路原理設計階段，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(xiàn)，作為不同功能電路的0V參考點(diǎn)，形成不同的電流回路。
01 GND地線(xiàn)的分類(lèi)
1. 模擬地線(xiàn)AGND
模擬地線(xiàn)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 )使得模擬信號失真，嚴重可能會(huì )造成模擬電路功能失效。
2. 數字地線(xiàn)DGND
數字地線(xiàn)DGND，顯然是相對模擬地線(xiàn)AGND而言，主要是用于數字電路部分，比如按鍵檢測電路，USB通信電路，單片機電路等等。
之所以設立數字地線(xiàn)DGND，是因為數字電路具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，都屬于離散型的開(kāi)關(guān)量信號，只有數字“0”和數字“1”區分，如下圖所示。
在由數字“0”電壓跳變成數字“1”電壓的過(guò)程中，或者由數字“1”電壓跳變成數字“0”電壓的過(guò)程中，電壓產(chǎn)生了一個(gè)變化，根據麥克斯韋電磁理論，變化的電流周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，也就形成了對其他電路的EMC輻射。
沒(méi)辦法，為了降低電路的EMC輻射影響，必須使用一個(gè)單獨的數字地線(xiàn)DGND，讓其他電路得到有效的隔離。
3. 功率地線(xiàn)PGND
模擬地線(xiàn)AGND也好，數字地線(xiàn)DGND也罷，它們都是小功率電路。在大功率電路中，如電機驅動(dòng)電路，電磁閥驅動(dòng)電路等等，也是存在一個(gè)單獨的參考地線(xiàn)，這個(gè)參考地線(xiàn)叫做功率地線(xiàn)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。因為5V電壓是參考GND地線(xiàn)0V而言，如果地偏移使得GND地線(xiàn)由0V抬升到了1V，那么之前的5V（5V-0V=5V）電壓就變成了現在的4V（5V-1V=4V）了。
4. 電源地線(xiàn)GND
模擬地線(xiàn)AGND，和數字地線(xiàn)DGND以及功率地線(xiàn)PGND，都被歸類(lèi)為直流地線(xiàn)GND。這些不同種類(lèi)的地線(xiàn)，最后都要匯集在一起，作為整個(gè)電路的0V參考地線(xiàn)，這個(gè)地線(xiàn)叫做電源地線(xiàn)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(xiàn)GND，是所有電路的0V電壓參考點(diǎn)。
這就是為什么其他類(lèi)型的地線(xiàn)，無(wú)論是模擬地線(xiàn)AGND，數字地線(xiàn)DGND還是功率地線(xiàn)PGND，最后都需要與電源地線(xiàn)GND匯集在一起。
5. 交流地線(xiàn)CGND
交流地線(xiàn)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(gè)地線(xiàn)，一個(gè)是交流地線(xiàn)，另一個(gè)是直流地線(xiàn)。
交流地線(xiàn)作為交流電路部分的0V參考點(diǎn)，直流地線(xiàn)作為直流電路部分的0V參考點(diǎn)。通常為了在電路中統一一個(gè)地線(xiàn)GND，工程師會(huì )將交流地線(xiàn)通過(guò)一個(gè)耦合電容或者電感與直流地線(xiàn)連接在一起。
6. 大地地線(xiàn)EGND
人體的安全電壓是在36V以下，超過(guò)36V的電壓如果施加在人體身上，會(huì )導致人體受到損傷，這是工程師在開(kāi)發(fā)設計電路項目方案的一個(gè)安全常識。
為了增強電路的安全系數，工程師一般在高壓大電流的項目中使用大地的地線(xiàn)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(xiàn)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(gè)接線(xiàn)端子？220V交流電只需要火線(xiàn)和零線(xiàn)，兩根就可以，那為什么插座是3個(gè)接線(xiàn)端子呢？
插座的3個(gè)接線(xiàn)端子，其中的兩個(gè)端子是用于220V的火線(xiàn)和零線(xiàn)，另外一個(gè)端子就是起保護作用的大地地線(xiàn)EGND。
芯片哥需要重點(diǎn)指出的是大地地線(xiàn)EGND，它僅僅是連接到我們的地球，起到高壓保護作用，沒(méi)有參與項目電路功能，與電路功能無(wú)關(guān)。
所以大地地線(xiàn)EGND，與其他類(lèi)型的地線(xiàn)GND是存在明顯電路含義區別的。
02 細究GND的原理
工程師可能會(huì )問(wèn)，一個(gè)地線(xiàn)GND怎么會(huì )有這么多區分，簡(jiǎn)單的電路問(wèn)題怎么弄得這么復雜？
為什么需要引入這么多細分的GND地線(xiàn)功能呢？
工程師一般針對這類(lèi)GND地線(xiàn)設計問(wèn)題，都簡(jiǎn)單的統一命名為GND，在原理圖設計過(guò)程中沒(méi)有加以區分，導致在PCB布線(xiàn)的時(shí)候很難有效識別不同電路功能的GND地線(xiàn)，直接簡(jiǎn)單地將所有GND地線(xiàn)連接在一起。
雖然這樣操作簡(jiǎn)便，但這將導致一系列問(wèn)題：
1. 信號串擾
假如將不同功能的地線(xiàn)GND直接連接在一起，大功率電路通過(guò)地線(xiàn)GND，會(huì )影響小功率電路的0V參考點(diǎn)GND，這樣就產(chǎn)生了不同電路信號之間的串擾。
2. 信號精度
模擬電路，它的考核核心指標就是信號的精度。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(xiàn)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(xiàn)GND一樣始終維持在一個(gè)0V上不變。
將不同電路的地線(xiàn)GND連接在一起，周期性變化的交流地線(xiàn)CGND會(huì )帶動(dòng)模擬電路的地線(xiàn)AGND變化，這樣就影響了模擬信號的電壓精度值了。
3. EMC實(shí)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(xiàn)GND連接在一起，信號強電路的地線(xiàn)GND，直接干擾了信號弱電路的地線(xiàn)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(shí)驗的難度。
4. 電路可靠性
電路系統之間，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(gè)電路系統A和電路系統B，沒(méi)有任何的交集，電路系統A的功能好壞顯然是不能影響電路系統B的正常工作，同樣電路系統B的功能好壞也是不能影響電路系統A的正常工作。
這就好比一對陌生男女，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，因為他們沒(méi)有任何交集。
假如在電路系統中，將不同功能的電路地線(xiàn)連接在一起，就相當于增加了電路之間干擾的一個(gè)聯(lián)系紐帶，也即降低了電路運行的可靠性。 |
