电路中的GND,它的本质是什么?

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问一个简单而又很难回答的电路问题:电路中的地线GND,它的本质是什么?

在PCB Layout布线过程中,工程师都会面临不同的GND处理。

这是为什么呢?在电路原理设计阶段,为了降低电路之间的互相干扰,工程师一般会引入不同的GND地线,作为不同功能电路的0V参考点,形成不同的电流回路。

GND地线的分类

1. 模拟地线AGND

模拟地线AGND,主要是用在模拟电路部分,如模拟传感器的ADC采集电路,运算放大比例电路等等。

在这些模拟电路中,由于信号是模拟信号,是微弱信号,很容易受到其他电路的大电流影响。如果不加以区分,大电流会在模拟电路中产生大的压降,会使得模拟信号失真,严重可能会造成模拟电路功能失效。

2. 数字地线DGND

数字地线DGND,显然是相对模拟地线AGND而言,主要是用于数字电路部分,比如按键检测电路,USB通信电路,单片机电路等等。
    之所以设立数字地线DGND,是因为数字电路具有一个共同的特点,都属于离散型的开光量信号,只有数字“0”和数字“1”区分,如下图所示。

数字“0”和数字“1”区分

 

在由数字“0”电压跳变成数字“1”电压的过程中,或者由数字“1”电压跳变成数字“0”电压的过程中,电压产生了一个变化,根据麦克斯韦电磁理论,变化的电流周围会产生磁场,也就形成了对其他电路的EMC辐射。

没办法,为了降低电路的EMC辐射影响,必须使用一个单独的数字地线DGND,让其他电路得到有效的隔离。

3. 功率地线PGND

模拟地线AGND也好,数字地线DGND也罢,它们都是小功率电路。在大功率电路中,如电机驱动电路,电磁阀驱动电路等等,也是存在一个单独的参考地线,这个参考地线叫做功率地线PGND。

大功率电路,顾名思义,是电流比较大的电路。很显然大的电流,容易造成不同功能电路之间的地偏移现象,如下图所示。

地偏移现象

  一旦电路中存在地偏移,那么原来的5V电压就可能不是5V了,而是变成了4V。因为5V电压是参考GND地线0V而言,如果地偏移使得GND地线由0V抬升到了1V,那么之前的5V(5V-0V=5V)电压就变成了现在的4V(5V-1V=4V)了。

4. 电源地线GND

模拟地线AGND,和数字地线DGND以及功率地线PGND,都被归类为直流地线GND。这些不同种类的地线,最后都要汇集在一起,作为整个电路的0V参考地线,这个地线叫做电源地线GND。

电源,是所有电路的能量来源。所有电路工作需要的电压电流,均是来自电源。因此电源的地线GND,是所有电路的0V电压参考点。

这就是为什么其他类型的地线,无论是模拟地线AGND,数字地线DGND还是功率地线PGND,最后都需要与电源地线GND汇集在一起。

5. 交流地线CGND

交流地线CGND,一般是存在于含有交流电源的电路项目中,如AC-DC交流转直流电源电路。

AC-DC电源电路,分为两个部分。电路中的前级是AC交流部分,电路中的后级是DC直流部分,这就被迫形成了两个地线,一个是交流地线,另一个是直流地线。

交流地线作为交流电路部分的0V参考点,直流地线作为直流电路部分的0V参考点。通常为了在电路中统一一个地线GND,工程师会将交流地线通过一个耦合电容或者电感与直流地线连接在一起。

6. 大地地线EGND

人体的安全电压是在36V以下,超过36V的电压如果施加在人体身上,会导致人体受到损伤,这是工程师在开发设计电路项目方案的一个安全常识。

为了增强电路的安全系数,工程师一般在高压大电流的项目中使用大地的地线EGND,例如在家用电器电风扇、电冰箱、电视机等电路中。具有大地地线EGND保护功能的插座,如下图所示。

具有大地地线EGND保护功能的插座

家用电器的插座,为什么是3个接线端子?220V交流电只需要火线和零线,两根就可以,那为什么插座是3个接线端子呢?

插座的3个接线端子,其中的两个端子是用于220V的火线和零线,另外一个端子就是起保护作用的大地地线EGND。

芯片哥需要重点指出的是大地地线EGND,它仅仅是连接到我们的地球,起到高压保护作用,没有参与项目电路功能,与电路功能无关。

所以大地地线EGND,与其他类型的地线GND是存在明显电路含义区别的。

细究GND的原理

工程师可能会问,一个地线GND怎么会有这么多区分,简单的电路问题怎么弄得这么复杂?

为什么需要引入这么多细分的GND地线功能呢?

工程师一般针对这类GND地线设计问题,都简单的统一命名为GND,在原理图设计过程中没有加以区分,导致在PCB布线的时候很难有效识别不同电路功能的GND地线,直接简单地将所有GND地线连接在一起。

虽然这样操作简便,但这将导致一系列问题:

1. 信号串扰

假如将不同功能的地线GND直接连接在一起,大功率电路通过地线GND,会影响小功率电路的0V参考点GND,这样就产生了不同电路信号之间的串扰。

2. 信号精度

模拟电路,它的考核核心指标就是信号的精度。失去精度,模拟电路也就失去了原本的功能意义。

交流电源的地线CGND由于是正弦波,是周期性的上下波动变化,它的电压也是上下波动,不是像直流地线GND一样始终维持在一个0V上不变。

将不同电路的地线GND连接在一起,周期性变化的交流地线CGND会带动模拟电路的地线AGND变化,这样就影响了模拟信号的电压精度值了。

3. EMC实验

信号越弱,对外的电磁辐射EMC也就越弱;信号越强,对外的电磁辐射EMC也就越强。

假如将不同电路的地线GND连接在一起,信号强电路的地线GND,直接干扰了信号弱电路的地线GND。其后果是原本信号弱的电磁辐射EMC,也成为了对外电磁辐射强的信号源,增加了电路处理EMC实验的难度。

4. 电路可靠性

电路系统之间,信号连接的部分越少,电路独立运行的能力越强;信号连接的部分越多,电路独立运行的能力就越弱。

试想,如果两个电路系统A和电路系统B,没有任何的交集,电路系统A的功能好坏显然是不能影响电路系统B的正常工作,同样电路系统B的功能好坏也是不能影响电路系统A的正常工作。

这就好比一对陌生男女,在没有成为恋人之前,女生的情绪变化是不会影响这个男生的心情的,因为他们没有任何交集。

假如在电路系统中,将不同功能的电路地线连接在一起,就相当于增加了电路之间干扰的一个联系纽带,也即降低了电路运行的可靠性。

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