电子技术中有辣么多“地”，这些“地”都是干啥的？有啥不同？-电路图讲解-电子技术方

XGND，指的是电线接地端的简写。代表地线或0线。   电路图上和电路板上的GND(Ground)代表地线或0线.GND就是公共端的意思，也可以说是地，但这个地并不是真正意义上的地。是出于应用而假设的一个地，对于电源来说，它就是一个电源的负极。它与大地是不同的。有时候需要将它与大地连接，有时候也不需要，视具体情况而定。   设备的信号接地，可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点，它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。     

 有单点接地，多点接地，浮地和混合接地。   单点接地是指整个电路系统中只有一个物理点被定义为接地参考点，其他各个需要接地的点都直接接到这一点上。在低频电路中，布线和元件之间不会产生太大影响。通常频率小于1MHz的电路，采用一点接地。   多点接地是指电子设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上（即设备的金属底板）。

在高频电路中，寄生电容和电感的影响较大。通常频率大于10MHz的电路，常采用多点接地。   浮地，即该电路的地与大地无导体连接。虚地:没有接地，却和地等电位的点。   其优点是该电路不受大地电性能的影响。浮地可使功率地（强电地）和信号地（弱电地）之间的隔离电阻很大，所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。   

 其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。   “地”是电子技术中一个很重要的概念。由于“地”的分类与作用有多种， 容易混淆,故总结下“地”的概念。    “接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。   

  一： 信号“地”又称参考“地”，就是零电位的参考点，也是构成电路信号回路的公共端 。  

 (1) 直流地：直流电路“地”，零电位参考点。  

 (2) 交流地：交流电的零线。应与地线区别开。 

 (3) 功率地：大电流网络器件、功放器件的零电位参考点。  

 (4) 模拟地：放大器、采样保持器、A/D转换器和比较器的零电位参考点。 

 (5) 数字地：也叫逻辑地，是数字电路的零电位参考点。  

 (6) “热地”：开关电源无需使用工频变压器，其开关电路的“地”和市电电网有关，即所谓的“热地”，它是带电的。 

 (7) “冷地”：由于开关电源的高频变压器将输入、输出端隔离；又由于其反馈电路常用光电耦合器，既能传送反馈信号，又将双方的“地”隔离；所以输出端的地称之为“冷地”，它不带电。    

 信号接地    设备的信号接地，可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点，它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。    有单点接地，多点接地，浮地和混合接地。（这里主要介绍浮地）单点接地是指整个电路系统中只有一个物理点被定义为接地参考点，其他各个需要接地的点都直接接到这一点上。在低频电路中，布线和元件之间不会产生太大影响。

通常频率小于1MHz的电路，采用一点接地。多点接地是指电子设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上（即设备的金属底板）。在高频电路中，寄生电容和电感的影响较大。通常频率大于10MHz的电路，常采用 多点接地。浮地，即该电路的地与大地无导体连接。『 虚地:没有接地，却和地等电位的点。』其优点是该电路不受大地电性能的影响。浮地可使功率地（强电地）和信号地（弱电地）之间的隔离电阻很大，所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。

一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻，用以释放所积累的电荷。注意控制释放电阻的阻抗，太低的电阻会影响设备泄漏电流的合格性。    

 1：浮地技术的应用  a交流电源地与直流电源地分开  一般交流电源的零线是接地的。但由于存在接地电阻和其上流过的电流，导致电源的零线电位并非为大地的零电位。另外，交流电源的零线上往往存在很多干扰，如果交流电源地与直流电源地不分开，将对直流电源和后续的直流电路正常工作产生影响。因此，采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术，可以隔离来自交流电源地线的干扰。    b 放大器的浮地技术  对于放大器而言，特别是微小输入信号和高增益的放大器，在输入端的任何微小的干扰信号都可能导致工作异常。因此，采用放大器的浮地技术，可以阻断干扰信号的进入，提高放大器的电磁兼容能力。    c 浮地技术的注意事项  1）尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻，从而有利于降低进入浮地系统之中的共模干扰电流。  2）注意浮地系统对地存在的寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中。 3）浮地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用，才能收到更好的预期效果。  4）采用浮地技术时，应当注意静电和电压反击对设备和人身的危害。   

 2：混合接地  混合接地使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性，这在宽带敏感电路中是必要的。电容对低频和直流有较高的阻抗，因此能够避免两模块之间的地环路形成。当将直流地和射频地分开时，将每个子系统的直流地通过10～100nF的电容器接到射频地上，这两种地应在一点有低阻抗连接起来，连接点应选在最高翻转速度（di/dt）信号存在的点。    二： 设备接大地  在工程实践中，除认真考虑设备内部的信号接地外，通常还将设备的信号地，机壳与大地连在一起，以大地作为设备的接地参考点。设备接大地的目的是    1）保护地，保护接地就是将设备正常运行时不带电的金属外壳（或构架）和接地装置之间作良好的电气连接。 为了保护人员安全而设置的一种接线方式。保护“地”线一端接用电器外壳，另一端与大地作可靠连接。  2）防静电接地，泄放机箱上所积累的电荷，避免电荷积累使机箱电位升高，造成电路工作的不稳定。 3）屏蔽地，避免设备在外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化，造成设备工作的不稳定。   此外还有防雷接地和音响中的音频专用地等等。                                           

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尖峰电流的形成： 数字电路输出高电平时从电源拉出的电流Ioh和低电平输出时灌入的电流Iol的大小一般是不同的，即：Iol＞Ioh。以下图的TTL与非门为例说明尖峰电流的形成：

 输出电压如右图（a）所示，理论上电源电流的波形如右图（b），而实际的电源电流保险如右图（c）。由图（c）可以看出在输出由低电平转换到高电平时电源电流有一个短暂而幅度很大的尖峰。尖峰电源电流的波形随所用器件的类型和输出端所接的电容负载而异。        

产生尖峰电流的主要原因是：        输出级的T3、T4管短设计内同时导通。在与非门由输出低电平转向高电平的过程中，输入电压的负跳变在T2和T3的基极回路内产生很大的反向驱动电流，由于T3的饱和深度设计得比T2大，反向驱动电流将使T2首先脱离饱和而截止。T2截止后，其集电极电位上升，使T4导通。可是此时T3还未脱离饱和，因此在极短得设计内T3和T4将同时导通，从而产生很大的ic4，使电源电流形成尖峰电流。图中的R4正是为了限制此尖峰电流而设计。   低功耗型TTL门电路中的R4较大，因此其尖峰电流较小。当输入电压由低电平变为高电平时，与非门输出电平由高变低，这时T3、T4也可能同时导通。但当T3开始进入导通时，T4处于放大状态，两管的集－射间电压较大，故所产生的尖峰电流较小，对电源电流产生的影响相对较小。   产生尖峰电流的另一个原因是负载电容的影响。与非门输出端实际上存在负载电容CL，当门的输出由低转换到高时，电源电压由T4对电容CL充电，因此形成尖峰电流。   当与非门的输出由高电平转换到低电平时，电容CL通过T3放电。此时放电电流不通过电源，故CL的放电电流对电源电流无影响。  

尖峰电流的抑制方法： 1、在电路板布线上采取措施，使信号线的杂散电容降到最小； 2、另一种方法是设法降低供电电源的内阻，使尖峰电流不至于引起过大的电源电压波动； 3、通常的作法是使用去耦电容来滤波，一般是在电路板的电源入口处放   一个1uF～10uF的去耦电容，滤除低频噪声；在电路板内的每一个有源器件的电源和地之间放置一个0.01uF～0.1uF的去耦电容（高频滤波电容），用于滤除高频噪声。滤波的目的是要滤除叠加在电源上的交流干扰，但并不是使用的电容容量越大越好，因为实际的电容并不是理想电容，不具备理想电容的所有特性。   去耦电容的选取可按C=1/F计算，其中F为电路频率，即10MHz取0.1uF，100MHz取0.01uF。一般取0.1~0.01uF均可。   放置在有源器件傍的高频滤波电容的作用有两个，其一是滤除沿电源传导过来的高频干扰，其二是及时补充器件高速工作时所需的尖峰电流。所以电容的放置位置是需要考虑的。   实际的电容由于存在寄生参数，可等效为串联在电容上的电阻和电感，将其称为等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。这样，实际的电容就是一个串联谐振电路，其谐振频率为：     实际的电容在低于Fr的频率呈现容性，而在高于Fr的频率上则呈现感性，所以电容更象是一个带阻滤波器。   10uF的电解电容由于其ESL较大，Fr小于1MHz，对于50Hz这样的低频噪声有较好的滤波效果，对上百兆的高频开关噪声则没有什么作用。   电容的ESR和ESL是由电容的结构和所用的介质决定的，而不是电容量。通过使用更大容量的电容并不能提高抑制高频干扰的能力，同类型的电容，在低于Fr的频率下，大容量的比小容量的阻抗小，但如果频率高于Fr，ESL决定了两者的阻抗不会有什么区别。   电路板上使用过多的大容量电容对于滤除高频干扰并没有什么帮助，特别是使用高频开关电源供电时。另一个问题是，大容量电容过多，增加了上电及热插拔电路板时对电源的冲击，容易引起如电源电压下跌、电路板接插件打火、电路板内电压上升慢等问题。  

PCB布局时去耦电容摆放 对于电容的安装，首先要提到的就是安装距离。容值最小的电容，有最高的谐振频率，去耦半径最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距离稍远，最外层放置容值最大的。但是，所有对该芯片去耦的电容都尽量靠近芯片。   下面的图1就是一个摆放位置的例子。本例中的电容等级大致遵循10倍等级关系。     

 还有一点要注意，在放置时，最好均匀分布在芯片的四周，对每一个容值等级都要这样。通常芯片在设计的时候就考虑到了电源和地引脚的排列位置，一般都是均匀分布在芯片的四个边上的。因此，电压扰动在芯片的四周都存在，去耦也必须对整个芯片所在区域均匀去耦。如果把上图中的680pF电容都放在芯片的上部，由于存在去耦半径问题，那么就不能对芯片下部的电压扰动很好的去耦。  

电容的安装 在安装电容时，要从焊盘拉出一小段引出线，然后通过过孔和电源平面连接，接地端也是同样。这样流经电容的电流回路为：电源平面->过孔->引出线->焊盘->电容->焊盘->引出线->过孔->地平面，图2直观的显示了电流的回流路径。     

 第一种方法从焊盘引出很长的引出线然后连接过孔，这会引入很大的寄生电感，一定要避免这样做，这是最糟糕的安装方式。   第二种方法在焊盘的两个端点紧邻焊盘打孔，比第一种方法路面积小得多，寄生电感也较小，可以接受。 第三种在焊盘侧面打孔，进一步减小了回路面积，寄生电感比第二种更小，是比较好的方法。   第四种在焊盘两侧都打孔，和第三种方法相比，相当于电容每一端都是通过过孔的并联接入电源平面和地平面，比第三种寄生电感更小，只要空间允许，尽量用这种方法。   

 最后一种方法在焊盘上直接打孔，寄生电感最小，但是焊接是可能会出现问题，是否使用要看加工能力和方式。   推荐使用第三种和第四种方法。   需要强调一点：有些工程师为了节省空间，有时让多个电容使用公共过孔，任何情况下都不要这样做。最好想办法优化电容组合的设计，减少电容数量。   由于印制线越宽，电感越小，从焊盘到过孔的引出线尽量加宽，如果可能，尽量和焊盘宽度相同。这样即使是0402封装的电容，你也可以使用20mil宽的引出线。引出线和过孔安装如图4所示，注意图中的各种尺寸。                          

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