什么是GND?

GND，全稱是 Ground，中文意思就是地線或接地端。在電路中，GND不是隨便定義的，它代表著整個系統(tǒng)的零電位基準(zhǔn)點(diǎn)。也就是說，所有電壓的高低，都是相對于GND來衡量的。

簡單來說：GND是一條電壓為0V的線，是所有電子器件“共同認(rèn)可”的基準(zhǔn)參考。

GND接口到底接什么線?

GND接口接的是地線或者說負(fù)極線，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，有些細(xì)微差別：

電路板/開發(fā)板上

GND通常接電源的負(fù)極，比如5V電源就有一根正極線(+5V)和一根負(fù)極線(GND)。電路元件在工作時，需要同時連接正極和GND才能正常通電。

電源適配器上

比如常見的DC電源插頭，也會有一個GND接觸點(diǎn)，通常是外殼或者內(nèi)圈，接地作為負(fù)極。

工業(yè)設(shè)備或大功率電器上

有時GND除了代表負(fù)極，還直接與地球大地相連，起到防止漏電觸電的安全保護(hù)作用，這叫做安全接地。

通信連接時(比如串口、USB)

兩個設(shè)備要通信，不僅要連信號線(比如TX、RX)，還必須把各自的GND連接起來，否則因?yàn)殡娢徊煌?，可能?dǎo)致通信失敗或者燒壞電路。

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。

細(xì)究GND的原理一個地線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(jì)問題，都簡單的統(tǒng)一命名為GND，在原理圖設(shè)計(jì)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(diǎn)GND，從而產(chǎn)生不同電路信號之間的串?dāng)_。2、信號精度。模擬電路的考核核心指標(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(shí)驗(yàn)。信號越弱，對外的電磁輻射EMC也就越弱;信號越強(qiáng)，對外的電磁輻射EMC也就越強(qiáng)。假如將不同電路的地線GND連接在一起，信號強(qiáng)電路的地線GND，直接干擾了信號弱電路的地線GND，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(qiáng)的信號源，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，信號連接的部分越少，電路獨(dú)立運(yùn)行的能力越強(qiáng);信號連接的部分越多，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的功能好壞也不能影響電路系統(tǒng)A的正常工作。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(yùn)行的可靠性。

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，但這個地并不是真正意義上的地。是出于應(yīng)用而假設(shè)的一個地，對于電源來說，它就是一個電源的負(fù)極。它與大地是不同的。有時候需要將它與大地連接，有時候也不需要，視具體情況而定。

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

在實(shí)際應(yīng)用對EMC和紋波噪聲要求不高的場合或是對電源模塊沒有隔離電壓要求的情況下，輸入輸出“地”可以共接。

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(jī)電路等等;

之所以設(shè)立數(shù)字地線DGND，是因?yàn)閿?shù)字電路具有一個共同的特點(diǎn)，都屬于離散型的開光量信號，只有數(shù)字“0”和數(shù)字“1”區(qū)分。

數(shù)字信號

在由數(shù)字“0”電壓跳變成數(shù)字“1”電壓的過程中，或者由數(shù)字“1”電壓跳變成數(shù)字“0”電壓的過程中，電壓產(chǎn)生了一個變化，根據(jù)麥克斯韋電磁理論，變化的電流周圍會產(chǎn)生磁場，也就形成了對其他電路的EMC輻射。

沒辦法，為了降低電路的EMC輻射影響，必須使用一個單獨(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)動電路，電磁閥驅(qū)動電路等等，也是存在一個單獨(dú)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。

地偏移現(xiàn)象

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?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，最后都要匯集在一起，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(diǎn)。

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，最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(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

人體的安全電壓是在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(jì)電路項(xiàng)目方案的一個安全常識。

為了增強(qiáng)電路的安全系數(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。

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

有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地，浮地和混合接地。

單點(diǎn)接地是指整個電路系統(tǒng)中只有一個物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，其他各個需要接地的點(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和增加了對模擬電路的感應(yīng)干擾。

“地”是電子技術(shù)中一個很重要的概念。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)部的信號接地和設(shè)備接大地，兩者概念不同，目的也不同?！暗亍钡慕?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”。

信號“地”又稱參考“地”，即零電位的參考點(diǎn)，也是構(gòu)成電路信號回路的公共端 。

(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，又將雙方的“地”隔離;所以輸出端的地稱之為“冷地”，它不帶電。 設(shè)備的信號接地，可能是以設(shè)備中的一點(diǎn)或一塊金屬來作為信號的接地參考點(diǎn)，它為設(shè)備中的所有信號提供了一個公共參考電位，有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地，浮地和混合接地。本文主要介紹浮地。

浮地及應(yīng)用

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)?！黄鋬?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和增加了對模擬電路的感應(yīng)干擾。一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個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，太低的電阻會影響設(shè)備泄漏電流的合格性。

浮地技術(shù)的應(yīng)用

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。

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

浮地技術(shù)的注意事項(xiàng)： 1)盡量提高浮地系統(tǒng)的對地絕緣電阻，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)對地存在的寄生電容，高頻干擾信號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，應(yīng)當(dāng)注意靜電和電壓反擊對設(shè)備和人身的危害。

混合接地

混合接地使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時呈現(xiàn)不同的特性，這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對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，將每個子系統(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)信號存在的點(diǎn)。

設(shè)備接大地

在工程實(shí)踐中，除認(rèn)真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號接地外，通常還將設(shè)備的信號地，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)備對大地的電位發(fā)生變化，造成設(shè)備工作的不穩(wěn)定。

GND地線的分類

在電路設(shè)計(jì)中，GND地線可以分為多種類型，每種類型都有其特定的用途和特點(diǎn)：

模擬地線(AGND)：主要用于模擬電路部分，如模擬傳感器的ADC采集電路、運(yùn)算放大器電路等。由于模擬信號是微弱信號，容易受到其他電路的大電流影響，因此需要單獨(dú)的模擬地線來減少干擾。

數(shù)字地線(DGND)：用于數(shù)字電路部分，如按鍵檢測電路、USB通信電路、單片機(jī)電路等。數(shù)字信號在電壓跳變過程中會產(chǎn)生電磁干擾(EMC)，因此需要單獨(dú)的數(shù)字地線來隔離這些干擾。

功率地線(PGND)：用于大功率電路，如電機(jī)驅(qū)動電路、電磁閥驅(qū)動電路等。大功率電路中的大電流容易造成地偏移現(xiàn)象，因此需要單獨(dú)的功率地線來減少這種影響。

電源地線(GND)：所有電路的0V參考點(diǎn)，通常是直流地線。模擬地線、數(shù)字地線和功率地線最終都會匯集到電源地線。

交流地線(CGND)：存在于含有交流電源的電路中，如AC-DC電源電路。交流地線作為交流電路部分的0V參考點(diǎn)。

大地地線(EGND)：用于高壓大電流的項(xiàng)目中，如家用電器。大地地線主要起保護(hù)作用，與電路功能無關(guān)。

GND地線的設(shè)計(jì)原則

在電路設(shè)計(jì)中，合理的GND地線設(shè)計(jì)可以有效減少電路之間的干擾，提高電路的穩(wěn)定性和可靠性。以下是一些設(shè)計(jì)原則：

分離不同類型的地線：模擬地線、數(shù)字地線和功率地線應(yīng)盡量分開，避免相互干擾。

合理布局地線：在PCB布局過程中，應(yīng)盡量保證地線的完整性，避免地線孤立懸空。

減少地線回路：盡量減少地線的回流路徑，避免長距離的地線連接。

模塊化設(shè)計(jì)：將同類型的地線劃分在一起，提前規(guī)劃好地線的連接路線。

GND地線的常見問題

在實(shí)際應(yīng)用中，GND地線設(shè)計(jì)不當(dāng)可能會導(dǎo)致一系列問題：

信號串?dāng)_：不同功能的地線直接連接在一起，大功率電路的地線會影響小功率電路的0V參考點(diǎn)，產(chǎn)生信號串?dāng)_。

信號精度下降：交流地線的周期性變化會影響模擬地線的電壓精度，導(dǎo)致模擬信號失真。

EMC問題：信號強(qiáng)電路的地線干擾信號弱電路的地線，增加了電路處理EMC實(shí)驗(yàn)的難度。

電路可靠性降低：不同功能的電路地線連接在一起，增加了電路之間的干擾，降低了電路的獨(dú)立運(yùn)行能力。

通過合理的GND地線設(shè)計(jì)，可以有效提高電路的性能和可靠性，減少干擾和故障的發(fā)生。