一文一探究竟什么是GND地线

[导读]GND，全称是 Ground，中文意思就是地线或接地端。在电路中，GND不是随便定义的，它代表着整个系统的零电位基准点。也就是说，所有电压的高低，都是相对于GND来衡量的。

什么是GND?

GND，全称是 Ground，中文意思就是地线或接地端。在电路中，GND不是随便定义的，它代表着整个系统的零电位基准点。也就是说，所有电压的高低，都是相对于GND来衡量的。

简单来说：GND是一条电压为0V的线，是所有电子器件“共同认可”的基准参考。

GND接口到底接什么线?

GND接口接的是地线或者说负极线，根据不同的应用环境，有些细微差别：

电路板/开发板上

GND通常接电源的负极，比如5V电源就有一根正极线(+5V)和一根负极线(GND)。电路元件在工作时，需要同时连接正极和GND才能正常通电。

电源适配器上

比如常见的DC电源插头，也会有一个GND接触点，通常是外壳或者内圈，接地作为负极。

工业设备或大功率电器上

有时GND除了代表负极，还直接与地球大地相连，起到防止漏电触电的安全保护作用，这叫做安全接地。

通信连接时(比如串口、USB)

两个设备要通信，不仅要连信号线(比如TX、RX)，还必须把各自的GND连接起来，否则因为电位不同，可能导致通信失败或者烧坏电路。

在电路原理设计阶段，为了降低电路之间的互相干扰，工程师一般会引入不同的GND地线，作为不同功能电路的0V参考点，形成不同的电流回路。

细究GND的原理一个地线GND怎么会有这么多区分，简单的电路问题怎么弄得这么复杂?为什么需要引入这么多细分的GND地线功能呢?工程师一般针对这类GND地线设计问题，都简单的统一命名为GND，在原理图设计过程中没有加以区分，导致在PCB布线的时候很难有效识别不同电路功能的GND地线，直接简单地将所有GND地线连接在一起。虽然这样操作简便，但这将导致一系列问题：1、信号串扰。假如将不同功能的地线GND直接连接在一起，大功率电路通过地线GND，会影响小功率电路的0V参考点GND，从而产生不同电路信号之间的串扰。2、信号精度。模拟电路的考核核心指标就是信号的精度。失去精度，模拟电路也就失去了原本的功能意义。交流电源的地线CGND由于是正弦波，是周期性的上下波动变化，它的电压也是上下波动，不是像直流地线GND一样始终维持在一个0V上不变。将不同电路的地线GND连接在一起，周期性变化的交流地线CGND会带动模拟电路的地线AGND变化，这样就影响了模拟信号的电压精度值了。3、EMC实验。信号越弱，对外的电磁辐射EMC也就越弱;信号越强，对外的电磁辐射EMC也就越强。假如将不同电路的地线GND连接在一起，信号强电路的地线GND，直接干扰了信号弱电路的地线GND，后果是原本信号弱的电磁辐射EMC，也成为了对外电磁辐射强的信号源，增加了电路处理EMC实验的难度。4、电路可靠性。电路系统之间，信号连接的部分越少，电路独立运行的能力越强;信号连接的部分越多，电路独立运行的能力就越弱。试想，如果两个电路系统A和电路系统B，没有任何的交集，电路系统A的功能好坏是不能影响电路系统B的正常工作，同样电路系统B的功能好坏也不能影响电路系统A的正常工作。假如在电路系统中，将不同功能的电路地线连接在一起，就相当于增加了电路之间干扰的一个联系纽带，也即降低了电路运行的可靠性。

GND，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。

在实际应用对EMC和纹波噪声要求不高的场合或是对电源模块没有隔离电压要求的情况下，输入输出“地”可以共接。

GND地线的分类

1、模拟地线AGND

模拟地线AGND，主要是用在模拟电路部分，如模拟传感器的ADC采集电路，运算放大比例电路等等。

在这些模拟电路中，由于信号是模拟信号，是微弱信号，很容易受到其他电路的大电流影响。如果不加以区分，大电流会在模拟电路中产生大的压降，会使得模拟信号失真，严重可能会造成模拟电路功能失效。

2、数字地线DGND

数字地线DGND，显然是相对模拟地线AGND而言，主要是用于数字电路部分，比如按键检测电路，USB通信电路，单片机电路等等;

之所以设立数字地线DGND，是因为数字电路具有一个共同的特点，都属于离散型的开光量信号，只有数字“0”和数字“1”区分。

数字信号

在由数字“0”电压跳变成数字“1”电压的过程中，或者由数字“1”电压跳变成数字“0”电压的过程中，电压产生了一个变化，根据麦克斯韦电磁理论，变化的电流周围会产生磁场，也就形成了对其他电路的EMC辐射。

没办法，为了降低电路的EMC辐射影响，必须使用一个单独的数字地线DGND，让其他电路得到有效的隔离。

3、功率地线PGND

模拟地线AGND也好，数字地线DGND也罢，它们都是小功率电路。在大功率电路中，如电机驱动电路，电磁阀驱动电路等等，也是存在一个单独的参考地线，这个参考地线叫做功率地线PGND。

大功率电路，顾名思义，是电流比较大的电路。很显然大的电流，容易造成不同功能电路之间的地偏移现象。

地偏移现象

一旦电路中存在地偏移，那么原来的5V电压就可能不是5V了，而是变成了4V。因为5V电压是参考GND地线0V而言，如果地偏移使得GND地线由0V抬升到了1V，那么之前的5V(5V-0V=5V)电压就变成了现在的4V(5V-1V=4V)了。

4、电源地线GND

模拟地线AGND，和数字地线DGND以及功率地线PGND，都被归类为直流地线GND。这些不同种类的地线，最后都要汇集在一起，作为整个电路的0V参考地线，这个地线叫做电源地线GND。

电源，是所有电路的能量来源。所有电路工作需要的电压电流，均是来自电源。因此电源的地线GND，是所有电路的0V电压参考点。

这就是为什么其他类型的地线，无论是模拟地线AGND，数字地线DGND还是功率地线PGND，最后都需要与电源地线GND汇集在一起。

5、交流地线CGND

交流地线CGND，一般是存在于含有交流电源的电路项目中，如AC-DC交流转直流电源电路。

AC-DC电源电路，分为两个部分。电路中的前级是AC交流部分，电路中的后级是DC直流部分，这就被迫形成了两个地线，一个是交流地线，另一个是直流地线。

交流地线作为交流电路部分的0V参考点，直流地线作为直流电路部分的0V参考点。通常为了在电路中统一一个地线GND，工程师会将交流地线通过一个耦合电容或者电感与直流地线连接在一起。

6、大地地线EGND

人体的安全电压是在36V以下，超过36V的电压如果施加在人体身上，会导致人体受到损伤，这是工程师在开发设计电路项目方案的一个安全常识。

为了增强电路的安全系数，工程师一般在高压大电流的项目中使用大地的地线EGND，例如在家用电器电风扇、电冰箱、电视机等电路中。

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,故总结一下“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”。

信号“地”又称参考“地”，即零电位的参考点，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。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。本文主要介绍浮地。

浮地及应用

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。

浮地技术的应用

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。

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。

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。

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。

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。

GND地线的分类

在电路设计中，GND地线可以分为多种类型，每种类型都有其特定的用途和特点：

模拟地线(AGND)：主要用于模拟电路部分，如模拟传感器的ADC采集电路、运算放大器电路等。由于模拟信号是微弱信号，容易受到其他电路的大电流影响，因此需要单独的模拟地线来减少干扰。

数字地线(DGND)：用于数字电路部分，如按键检测电路、USB通信电路、单片机电路等。数字信号在电压跳变过程中会产生电磁干扰(EMC)，因此需要单独的数字地线来隔离这些干扰。

功率地线(PGND)：用于大功率电路，如电机驱动电路、电磁阀驱动电路等。大功率电路中的大电流容易造成地偏移现象，因此需要单独的功率地线来减少这种影响。

电源地线(GND)：所有电路的0V参考点，通常是直流地线。模拟地线、数字地线和功率地线最终都会汇集到电源地线。

交流地线(CGND)：存在于含有交流电源的电路中，如AC-DC电源电路。交流地线作为交流电路部分的0V参考点。

大地地线(EGND)：用于高压大电流的项目中，如家用电器。大地地线主要起保护作用，与电路功能无关。

GND地线的设计原则

在电路设计中，合理的GND地线设计可以有效减少电路之间的干扰，提高电路的稳定性和可靠性。以下是一些设计原则：

分离不同类型的地线：模拟地线、数字地线和功率地线应尽量分开，避免相互干扰。

合理布局地线：在PCB布局过程中，应尽量保证地线的完整性，避免地线孤立悬空。