电路设计漫谈之10： 接地（1）

电路设计漫谈之10： 接地（1）
一直想谈谈接地问题，但总觉得不容易下手。接地，最简单的定义，也是最难把握的。简单到初学者把所有“地线”一连就可，复杂到要考虑安全，干扰，强弱信号分配，阻抗，噪声，EMI，保护，交流直流地，等等。记的从开始注意信号完整性后，对“地”就在不停的琢磨。从数字转到模拟后又开始了一轮的研究。跟电力沾上点边后又有了新的视角。。。。。。无穷尽那:-) 下边从安全保护，信号完整性，模拟电路几个不同的角度聊聊对地的处理。

从安全保护角度看接地

IEC对几种接地方式有明确的定义。了解一下这些AC系统的接地要求能帮助理解系统设计中信号地保护地等概念和怎样正确处理。在常用的TN-C-S接地系统中，要求有个单独的保护地（可能跟信号地在机器内某点连接在一起）连接到AC配线箱的大地上（在那跟Neutral连接在一起）。如果有EMI或者其它干扰隔离的考量，可以把这个保护地线屏蔽起来专线连接。但对于高频噪声这种连接可能起到相反的左右，对保护地连线的长度有要求(小于干扰波长的1/20)。
整个建筑的地线系统应该连在一起，地线系统可以有多个点接大地，但只能在一个点（AC进入的点）跟Neutral线连接在一起。有时你觉得用示波器再同时摸电路板时觉得麻麻的，那就是AC的地线系统没连接好。一般情况下一定要用三芯的插座。机壳与三芯中的保护地要可靠连接在一起。除非那种电信的-48V隔离供电，信号地，机壳，以及电源地在某点要连接起来。跨建筑的信号连接最好用差分或者光信号，除非他们的地线是连在一起的。经常发现地线没可靠连接的时候（AC保护地没连到建筑的接地系统上，或者信号地跟保护地没连接）系统不正常工作或接口被烧坏的情形（case1）。

用两芯的电源是不可取的，尤其对工业的应用。除了安全以外，还有EMI的影响。大家知道AC-DC电源前边要放X（line与neutral之间）和Y电容（line/neutral到地）。没了第三芯的地连接，Y电容的防共模干扰的作用就消失了。从安全角度讲，如果是两芯的插座，有金属壳的机器就失去了漏电保护的作用。这时应该装个GFCI漏电保护器，尤其是在家里有小孩的情形，价格不贵，保护孩子重要啊，呵呵。 顺带说一下，浙江一带尤其慈溪什么的生产的电源插板基本都是垃圾，俺拆开看过很危险的，尽量别用。前几年看过一个报道说国内只有三家的品牌是合格的。你家的电视冰箱计算机还有家人的安全值钱的很，别再这上边省这几块钱！

除了设备要可靠接地外，建筑的钢体水管气管等也要可靠接地。在雷雨天气钢架构可能被充电。钢结构跟室内的仪器设备的外壳有个电容通道。从而雷电的高压可以加到设备上而形成危险。这就是为什么有时有些计算机不开机，雷雨天气后也能被烧坏的原因（case2）。

AC接地系统是个专门的领域。作为电路和系统设计者，知道点AC接地的知识很有帮助。尤其在涉及到AC带来的安全，EMC，EMI，串扰等问题的分析时。上边说的case1和2俺都遇到过。有两本比较好的读物推荐如下。第二本是比较深入的介绍。
Grounding and Shielding. 5th Edition. RALPH MORRISON
IEEE142. Grounding of Industrial and Commercial Power Systems.


电路设计漫谈之10： 接地（2）

从干扰角度看接地

接地是一个很复杂的问题，没有一个统一的准则适用于所有的设计。不同的问题可能需要不同的策略。但是在面临解决某一类问题时，他们是有共性的。比如说我们的设计目的之一是要减小电路各部分间的串扰。串扰的引起有很多种因素：IC本身状态切换时电流变化在substrate上引起的串扰。各种阻容器件电磁场引起的空间干扰。PCB上trace之间的干扰等等。这里与接地有关的串扰是“地”作为一个共同回路是非理想的：它本身有阻抗，也呈现感抗和容性。所以不同的信号共用这一通路就会产生相互的串扰。这里地线带来的共性就是"非理想的共用通路".抓住这个特性，好多问题就容易解释了。在设计上就可以实施相应的对策。

数模混合电路的设计，很大一部分是要考虑地的分割。分割原理就是要遵循上边所属的共性。好多争论是用同一的地平面好，还是数字模拟地分开。其实两者都可以，关键是要让数字和模拟信号的回路尽量减少交叉和共享。初学者可能很容易注意把电路图上的数字模拟信号线分开，减小回路面积并尽量不混杂在一起。但忘记了所谓“信号”是需要一个回路的，即“有去有回”。信号回来的路径就是“地线”。所以数字和模拟信号的“回来的路径”应该不要重叠。最简单的方法就是把两者的地分开，并且数字信号线要布在数字地平面上，模拟信号线要布在模拟地平面上。不要交叉。一个常犯的错误，地分开了，但还有数字线布在了模拟的参考平面上。如果有MCU的数字信号需要去控制模拟器件，这些线要从单点连接的部分通过。混合电路要求设计工程师和布线工程师有很好的互动或者生成完善的PCB布线要求文档。

像本文一开始讲的，接地的策略很复杂，以上原则不见得适合所有情形：

一种情形是一点接地或者树形接地有时不那么容易实现。比如板子上有几个独立的模拟电路（几个分立的ADC电路）。这时应该遵循上边所叙的没有共用回路的原则。地线也不一定非要单点接地。只要互相之间没有共同回路即可。对于大电流的输出级，直接将其回路连接到电源的输入端，使得其干扰不流过板子的任何地参考面。

还有一种情形是很多的数字信号需要去连接模拟器件，或者模拟信号要连接到MCU中的ADC。采用单点接地的方式会引入一个大的信号环路，形成的电感和辐射会带来串扰。这时可以采用统一地面。但在区域上要严格分开并遵循互不交叉的原则：数字信号线要布在数字地平面上，模拟信号线要布在模拟地平面上。即使采用分割地面，在不同区域预留一些互联的0欧姆电阻是一个折中的方案。有时你会看到好多Analog Device的evaluation board上也是这么做的。可能说明了他们也心存疑虑啊，呵呵。

ADC，DAC的地连接有特殊要求，一般是把数字地和模拟地在ADC，DAC器件的下边单点连接。IC的数字信号在数字地平面一侧，DGND和AGND还要放在模拟地平面一侧。这是由于芯片要求这两个地在IC内部是分开的，但要求外部提供一个最小阻抗的通路。对于多个插板的机箱系统，数字地和模拟地也可以在板子上分开，然后再总线板上单点接地。

电路上如果即有噪声比较大的部分比如AC的电路，还有很敏感的小信号放大部分，除了仔细的地面分割以外，不同区域信号的互联可能的话最好采用光电耦合或者差分线形式。比如在好多数字智能电表内的设计。

电源也是一个公共通路，其设计是否也该采用上述方法呢？大多实践证明电源采用树形连接的方案优于平面的方案。各个部分的电源树形连接到电源的源头，这样就彻底避免了共用电源通路间的互扰。尤其是大电流部分比如输出功率电路，高电压部分比如被控制的电器设备。这种情形下使用公共的电源平面会带来很大的串扰。

对于数模混合系统的接地分析，本人感觉Analog Device的一本ADC设计指南(Analog_Digital Conversion)讲的最清晰。接地的论述在其第九部分Hardware Design Techniques.

最后，没有金科玉律，不要纠缠在一点不放：电路设计是一种折中的艺术:-)