各種接地概念、方法

一、地的分類工程師在設(shè)計電路時，為防止各種電路在電路正常工作中產(chǎn)生互相干擾，使之能相互兼容地有效工作。根據(jù)電路的性質(zhì)，將電路中“零電位"———“地"分為不同的種類，比如按交直流分為直流地、交流地，按參考信號分為數(shù)字地（邏輯地）、模擬地，按功率分為信號地、功率地、電源地等，按與大地的連接方式分為系統(tǒng)地、機殼地（屏蔽地）、浮地。不同的接地方式在電路中應(yīng)用、設(shè)計和考慮也不相同，應(yīng)根據(jù)具體電路分別進行設(shè)置。

1 信號地信號地（SG）是各種物理量的傳感器和信號源零電位以及電路中信號的公共基準(zhǔn)地線（相對零電位）。此處信號一般指模擬信號或者能量較弱的數(shù)字信號，易受電源波動或者外界因素的干擾，導(dǎo)致信號的信噪比（SNR）下降。特別是模擬信號，信號地的漂移，會導(dǎo)致信噪比下降；信號的測量值產(chǎn)生誤差或者錯誤，可能導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計的失敗。因此對信號地的要求較高，也需要在系統(tǒng)中特殊處理，避免和大功率的電源地、數(shù)字地以及易產(chǎn)生干擾地線直接連接。尤其是微小信號的測量，信號地通常需要采取隔離技術(shù)。

2 模擬地模擬地（AG）是系統(tǒng)中模擬電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于模擬電路既承擔(dān)小信號的處理，又承擔(dān)大信號的功率處理；既有低頻的處理，又有高頻處理；模擬量從能量、頻率、時間等都很大的差別，因此模擬電路既易接受干擾，又可能產(chǎn)生干擾。所以對模擬地的接地點選擇和接地線的敷設(shè)更要充分考慮。減小地線的導(dǎo)線電阻，將電路中的模擬和數(shù)字部分開，在PCB布線的時候，模擬地和數(shù)字地應(yīng)盡量分開，最后通過電感濾波和隔離，匯接到一起。如圖4-1所示。

3 數(shù)字地

數(shù)字地（DG）是系統(tǒng)中數(shù)字電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于數(shù)字電路工作在脈沖狀態(tài)，特別是脈沖的前后沿較陡或頻率較高時，會在電源系統(tǒng)中產(chǎn)生比較大的毛刺，易對模擬電路產(chǎn)生干擾。所以對數(shù)字地的接地點選擇和接地線的敷設(shè)也要充分考慮。盡量將電路中的模擬和數(shù)字部分分開，在PCB布線的時候，模擬地和數(shù)字地應(yīng)盡量分開，最后通過電感，匯接到一起.

4 懸浮地懸浮地（FG）是系統(tǒng)中部分電路的地與整個系統(tǒng)的地不直接連接，而是通過變壓器耦合或者直接不連接，處于懸浮狀態(tài)。該部分電路的電平是相對于自己“地"的電位。常用在小信號的提取系統(tǒng)或者強電和弱點混合系統(tǒng)中。

其優(yōu)點是該電路不受系統(tǒng)中電氣和干擾的影響；缺點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對模擬電路的感應(yīng)干擾。由于該電路的地與系統(tǒng)地沒有連接，易產(chǎn)生靜電積累而導(dǎo)致靜電放電，可能造成靜電擊穿或強烈的干擾c 因此，懸浮地的效果不僅取決于懸浮地絕緣電阻的大小，而且取決于懸浮地寄生電容的大小和信號的頻率。

在圖4-2所示的VDD-SGND的電源供電系統(tǒng)中，所有工作點相對的地都是SGND，但是SGND和DGND之間是電平處于懸浮狀態(tài)，VDD-SGND的電源供電的系統(tǒng)與整個系統(tǒng)的連接*通過變壓器耦合，在這里設(shè)計的時候需要注意信號的連接方式。

5 電源地電源地是系統(tǒng)電源零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于電源往往同時供電給系統(tǒng)中的各個單元，而各個單元要求的供電性質(zhì)和參數(shù)可能有很大差別，因此既要保證電源穩(wěn)定可靠的工作，又要保證其他單元穩(wěn)定可靠地工作。同時，電源系統(tǒng)功耗比大，在單層板或者雙層板中地線的線寬必須加粗（參考計算公式見式（4-1）。若在多層板中，則應(yīng)以一層或者多層作為系統(tǒng)的地平面。

6 功率地功率地是負(fù)載電路或功率驅(qū)動電路的零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于負(fù)載電路或功率驅(qū)動電路的電流較強、電壓較高，所以功率地線上的干擾較大，因此功率地必須與其他弱電地分別設(shè)置、分別布線，以保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

二、接地方式在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點接地。當(dāng)信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點接地。當(dāng)工作頻率在1MHz~10MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1-20，否則應(yīng)采用多點接地法。工作接地按工作頻率而采用如圖4-3所示幾種接地方式。

（一）單點接地

工作頻率低（<1MHz）的采用單點接地式（即把整個電路系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)點看作接地參考點，所有對地連接都接到這一點上，并設(shè)置一個安全接地螺栓），以防兩點接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合。多個電路的單點接地方式又分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種（如圖4-4所示）。由于串聯(lián)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合，所以低頻電路最好采用并聯(lián)的單點接地式。

為防止工頻和其他雜散電流在信號地線上產(chǎn)生干擾，信號地線應(yīng)與功率地線和機殼地線相絕緣，且只在功率地、機殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連（浮地式除外）。

地線的長度與截面的關(guān)系為：

（二）多點接地工作頻率高（>10MHz）的采用多點接地式（如圖4-5所示）。在該電路系統(tǒng)中，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路。因為接地引線的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，所以要求地線的長度盡量短。采用多點接地時，盡量找接近的低阻值接地面接地。此處電路板最好設(shè)計為多層電路（4層以上），提供一層作為地平面。 

（三）混合接地

工作頻率介于1MHz~10MHz, 的電路采用混合接地式。當(dāng)接地線的長度小于工作信號波長的1/20時，采用單點接地式，否則采用多點接地式。根據(jù)系統(tǒng)的需求和電路的需要進行合理的安排。

（四）懸浮接地懸浮接地是系統(tǒng)的地與大地不直接連接，而是通過變壓器耦合或者直接不連接，處于懸浮狀態(tài)。懸浮接地應(yīng)注意以下幾點：（1）盡量提高浮地系統(tǒng)的對地絕緣電阻，從而有利于降低進入浮地系統(tǒng)中的共模干擾電流，保證系統(tǒng)的可靠性。（2）注意浮地系統(tǒng)對地存在的較大寄生電容，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，在設(shè)計時一定要注意。（3）懸浮接地技術(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，系統(tǒng)容易積累靜電，當(dāng)靜電積累到一定應(yīng)程度后，可以對人和設(shè)備產(chǎn)生很多的損害，所以要注意靜電和電壓反擊對設(shè)備和人身的危害。

三、接地電阻（一）對接地電阻的要求對電路系統(tǒng)而言，接地電阻越小越好，因為當(dāng)有電流流過接地電阻時，其上將產(chǎn)生電壓。該電壓除產(chǎn)生共地阻抗的電磁干擾外，還會使設(shè)備受到反擊過電壓的影響，并使人員受到電擊傷害的威脅，同時還帶來系統(tǒng)的工作的不穩(wěn)定性和發(fā)熱。為了保護系統(tǒng)的正常工作，我們在設(shè)備接地時對接地電阻提出要求，一般要求接地電阻小于4Ω；對于移動設(shè)備，接地電阻可小于10Ω。系統(tǒng)接地的等效電路如圖4-6所示。系統(tǒng)接地不好，還會帶來寄生電感和寄生電容，這些可以導(dǎo)致地平面發(fā)生振蕩。

（二）降低接地電阻的方法

接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻三部分組成。為此，降低接地電阻的方法有以下三種：

1 降低接地線電阻降低接地線電阻的方法有增大導(dǎo)線的寬度，或者采用多層板，給出一層或者多層電源層，降低導(dǎo)線的內(nèi)阻。信號層可以對采用覆銅的方式。覆銅的類型有：（1）整板（全部）覆銅；（2）局部（部分）覆銅；（3）分區(qū)覆銅（用于地種類復(fù)雜，而且地線有不同的分區(qū)，比如模數(shù)混合電路）；（4）分網(wǎng)絡(luò)覆銅（系統(tǒng)的特許需要，對某個或者幾個特定的網(wǎng)絡(luò)覆銅）。

2 降低接觸電阻降低接觸電阻，為此要將接地線與接地螺栓、接地極牢靠地連接，同時要考慮系統(tǒng)接地極和土壤之間的接觸面積與緊密度。增加地極和土壤之間的接觸面積與緊密度，可以減小接觸電阻。

有的設(shè)備為了降低接觸點之間的電阻，在接觸點采用導(dǎo)電性能良好的材料；為了防止金屬被氧化而增加接觸電阻，必要時可以在接觸點鍍銀或者鍍金來保持良好的接觸效果，減小接觸電阻。

3 降低地電阻降低地電阻，有些特殊系統(tǒng)，必須增加接地極的表面積和增加土壤的導(dǎo)電率（如在土壤中注入鹽水）。則系統(tǒng)的垂直接地極接地電阻R為：

例如，黃土ρ取200Ω.m,L為2cm,d為0.05，則垂直接地極接地電阻R為80.67Ω。如在土壤中注入鹽水，使ρ=20Ω.m時，則接地極接地電阻R為8.067Ω。從上面的比較中，可以清楚地看出，接地電阻隨著大地電阻率降低而減少。在一些特許系統(tǒng)中，對接地電阻和地電阻要求比較嚴(yán)格時，降低大地的電阻率，增加大地的導(dǎo)電性能是一個很好的辦法。