模拟电路设计（40）---你真的懂“接地”吗？
概念
接地是指将一个电路、设备乃至分系统与一个基准“地”电位连接的电气要求，目的在于提供一个等电位点或等电位面。接地可以接真正的大地，也可以不接，例如飞机上的电子电气设备接飞机机壳就是接地。
接地必须有接地导体和接地平面才能够完成。
接地平面的含义是广泛的，对于接大地的系统，大地就是接地平面；对于飞机，那么飞机的机壳就是接地平面；对于有金属机壳的设备，金属机壳也可被认为是接地平面；PCB板上的地平面也是某种意义上的接地平面。
理想的接地平面是一个零电位、零阻抗的物理体，可以作为电路中所有信号的参考点，任何干扰信号通过都不会产生电压降。接地导体则是电路、设备或分系统的接地点与接地平面的连接体。对于接地导体有长宽比或截面积的要求。
接地的分类
对接地进行分类主要是为了选择接地导体及其连接方式。根据接地电流的不同特性，将接地分为如下几类：
接地的分类
EMI接地是为EMI电流提供一个受控通道。关键是在极宽的频率范围内保持低阻抗。大电流容量并不是EMI接地的主要问题。
放雷接地是提供一条将雷电电流通到大地的受控通道。防雷接地的主要问题是同时维持低电阻和低电感并且提供充分的瞬态电流容量。
安全接地主要是为了保护人身安全。通常将设备的外壳金属件直接接地，当设备一旦出现故障时以确保故障电流流入大地。
电源接地的主要问题是维持低电阻并提供足够的电流容量。大多数电源接地不要求低电感。
功能电路接地为信号提供一个返回通道。主要目的是限制任何接地通道上出现的多余的电压降。两个关键的策略是：在宽频带范围内减少接地阻抗或者限制通过预先确定的接地通道的接地电流。
按照接地方式又可以分为浮地、单点接地、多点接地和混合接地
浮地的目的是将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线隔离开来。这种接地方式的缺点是设备不与地直接相连，容易产生静电积累，并最终发生具有强大放电电流的静电击穿现象。通常在设备与大地之间接进一个阻值很大的电阻，以消除静电积累。
单点接地是指在一个线路中，只有一个物理点被定义为接地参考点。它只适用于工作频率范围300kHz以下的低频设备系统中。如果系统的工作频率很高，使接地引线的长度可以与λ/4(λ为工作波长）相比拟，此时接地引线就成为一个终端短路的传输线（反射系数为-1，终端发生全反射，且相位相反）；同时频率升高使地线阻抗增大，增加了共阻抗耦合。
多点接地是指某一个系统中，各个接地点都接到距离它最近的接地平面上，以使接地引线长度最短。它是高频信号电路唯一实用的接地方式。但是采用多点接地后，设备内部就存在许多地线回路，此时提高接地系统的质量十分重要。混合接地就是单点接地和多点接地的组合。适用的工作频率范围一般为500kHz~30MHz。
接地环路
接地环路包含两个方面：1.地线本身构成的环路。封闭环在外界电磁场的作用下会产生感应电动势，从而产生电流，因地线上各点的电位都不相同，容易导致共阻抗干扰。在布置地线时，一定不能布置成封闭的环路，一定要留开口。2.电路多点接地并且电路间有信号联系时构成的地环路，如下图所示：
地环路的构成（a）单根信号线的接地环路（b）双信号的接地环路
如上图所示，当A、B之间存在电位差时，就会产生差模干扰（图a）或由共模干扰转化而来的差模干扰（图b），从而影响电路的正常工作。电位差是很容易产生的，当有外界强磁场时会产生感生电动势；而当来自其它电路的返回电流共享电路地线时，也会产生电位差。
抑制地环路干扰的方法是切断地环路：对于低频低速电路，常用的措施有：隔离变压器、共模扼流圈、光电耦合器对于高频高速电路，多点接地的方式必然会产生地环路，需采用接地平面降低地阻抗，以减少接地电压。
接地设计的一般原则
1.模拟电路采用单点接地，以防止共阻抗干扰；
2.数字电路采用多点接地和接地平面，目的是通过强制方法降低接地路径的阻抗；
3.单板上模拟电路的地与数字电路的地单点连接；
4.对于可能出现较大突变电流的电路，要有单独的接地系统，或者单独的接地回路，以减少对其他电路的瞬态耦合；
5.所有I/O接口的滤波、防护电路的地应该是连接到系统的屏蔽体，并尽可能靠近I/O连接器；
6.系统内部的独立模块，如电源盒、显示模块等，应该安装在系统的接地平面上，并与接地平面保持良好的搭接；
7.接地设计的一般方法是首先划分系统内部的地的种类，给出各自的要求；其次确定相互之间的连接关系和连接方式与要求；最后画出系统的接地拓扑图，逐一进行分析与详细设计。
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