并联接地和串联接地优缺点（单点并联接地和多点串联接地的区别）

最近在买到的一块板子上看到了单点接地的做法，之前绘制的PCB大多是单纯的单片机数字电路，通常直接铺铜完事，最多再考虑一下地平面的完整性，处理一下碎铜，所以借此机会学习一下相关知识。

单点接地所要解决的问题就是针对公共地阻抗耦合和低频地环路，而多点接地是针对高频容易通过长地走线而产生的共模干扰。

什么是地线

地线分为安全地和信号地，安全地用于保证使用者人身安全，信号地用于保证电路正常工作。造成电路干扰的主要是信号地

信号地

信号地的一般定义是：电路的电位参考点。而这只是我们对电路工作状态的“假设”。

地线也是导线，电流游走在导线上服从欧姆定律，既然这样，地线不是一个等点位体，不同位置存在压差。电路的“电位参考点”偏离了我们最初的设计所造成的错误就是地线干扰的实质。

地线的阻抗

“地线要加粗”，老师一直这样教导我们，而我们也一直视作金科玉律，不明所以但一丝不苟地照做。地线地电阻很小，那么为什么底线上的电位差会大到让电路出错的程度？

地线的阻抗Z是由阻抗和感抗部分组成。

Z = RAC jωL

地线的交流阻抗

导体的电阻分为直流电阻RDC和交流电阻RAC。对于交流电阻RAC，由于趋肤效应，越靠近导体表面电流密度越大，使导体的电阻变大。

RAC = 0.076 × r × f × 0.5 × RDC

其中r为导线半径，单位cm; f是通过导线的电流频率，单位Hz; RDC为导线的直流电阻，单位Ω。通过公式可以发现，当电流频率上升到MHz级别时，地线阻抗将变为原来的数万倍。

地线的感抗

任何导体内都有电感（这区别于通常所说的外电感，外电感时导体所包围面积的函数），内电感与导线所包围的面积无关，对于圆形截面导体，有如下转换公式。

L = 0.2s × [ln(4.5 / d) - 1] (μH)

其中s是导体长度，单位m；d为导体直径，单位m。

导体直径越小，长度越大，内电感将会越大。这与“PCB布线应尽可能短而粗”的观点一致。

地环路干扰

顾名思义，地环路干扰是由地环路电流引起的，通常在长地线连接的设备之间出现。如果断开相互连接的设备，电路各部分即恢复正常，可以怀疑出现了地环路干扰。这种情况通常发生在干扰频率较低的场合。

地环路电流形成的原因自然是由于地线上存在电位差。在地电压的驱使下，电路各部分的连线之间将产生额外的电流，而由于电路的不平衡性，每根导线上产生的电压又有所不同，这样就产生了差模电压，对电路造成干扰。

那么地线上的压差是如何产生的呢？

大功率元件共用地线，地线本身的阻抗因通过大电流而产生的压差。

环境中存在较强的磁场，设备连线和地线所构成的环路产生感应电压。

解决地环路干扰的基本思路

针对大电流而造成的地线压差，可以减少地线阻抗，使用短而粗的地线，或PCB走线开窗镀锡，提高载流能力。或者直接将地环路切断，使用隔离变压器、光耦器件、共模扼流圈等隔离器件。又或者改变线路结构，使用单点接地。（咦？似乎已经逐渐忘记标题）

单点接地

下图中列出了接地方式以及它们之间的关系。

使用单点接地方式的电路布线结构，模拟部分、数字部分、大功率原件分别使用并联单点接地，而各部分内部可以使用串联单点接地。

所谓的单点接地就是电路中所有的地线分别连接到公共地的同一点。单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地，向上图左侧，类似于串联单点接地，而右侧则是并联单点接地。

两种单点接地方式的的缺点

虽然串联单点接地不会构成地线回路，但有可能造成公共阻抗耦合。并联单点接地的缺点也很明显，走线数量增多了，势必会增加PCB设计难度，影响布通率。

公共阻抗耦合

当两个电路的电流流过一个公共电阻时，就发生了公共阻抗耦合因为公共电阻的作用，其中一个电路的电位会受到另一个电路电流的调制，这样另一个电路的信号就会耦合到另一个电路。这与地环路干扰的第一种情况类似。

举例

放大器级间的公共阻抗耦合。

（c）图中放大器前级放大器与后级共用一段地线，并在这段导线上产生了较大的压差V，而不巧的是这段电压恰好作用于前级输入回路。如果满足一定相位关系就形成了正反馈，造成放大器自激。

解决方案

如（b）图所示，改变电源位置，让大电流直接流入电源而不经过前级输入回路。

如（d）图所示，通过单点接地（并联单点接地）让放大器输出直接接入公共地。

补充：多点接地

多点接地比较好理解，所有元件就近接地，地线很短，适合运行频率较高的电路设计，这是因为所有信号最终都流经地线构成回路，过长的地线意味着无处不在的寄生电容和电感，通常大于10MHz的的电路就需要考虑多点接地。

多点接地的问题是难以避免或大或小的地环路。双层板通过大面积铺铜将各个元件的GND连接起来实际上采用的就是多点接地。

因为双层板没有单独的地层，走线对地平面的分割是在所难免的，非常容易出现地环路。所以在某些情况下也要通过过孔在另一面“打补丁”的方式保证地平面的完整性，减少地环路干扰。

补充：混合接地

在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下的阻抗特性，使地线系统在不同的工作频率下有不同的接地结构。

补充：如何处理数字电路和模拟电路共存的电路设计

众所周知，数字电路工作在开关状态，对电源干扰严重，所以在数字电路与模拟电路共存的电路设计中，数字电路和模拟电路分别进行独立供电，地线分离，最终单点接地。

通常对于这种单点接地可以考虑使用0欧电阻或磁珠。磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只对某个频点的噪声有显著抑制作用，使用时需要预先估计噪点频率，以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况，磁珠不合适。

0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗)，这点比磁珠强。

补充：信号地和电源地的分割

PCB布线时要时刻清楚电源以及信号回流的路径，如果电源和信号的回流路径重合则容易产生公共阻抗耦合，对信号质量造成影响

补充：开尔文连接（Kelvin Connection）

开尔文连接是一种用于模拟信号远传的连接方法。其特点是不在驱动器的输出端直接连接反馈到反相端，而从负载端将反馈接到放大器/驱动器的反相端的一种连接方法，其目的是减小线路电阻引起的误差。

如上图所示，反馈回路采样点连接到了负载端而不是放大器输入端，目的是为了避免导线造成的压降（图中R是导线电阻）。其背后的思路就是大小电流的电路分开。

这与我们上面所提到的公共阻抗耦合、信号地和电源地的分割布线原则有相似之处。

所以在PCB设计时，心中要十分清楚电路的功能和电流通路，原理图中的节点在实际布线时的位置需要谨慎。

总结：

一般情况下，高频电路应就近多点接地，低频电路应该单点接地。在低频电路中，布线和元件间的电感并不是什么大问题，而接地形成的环路影响很大，因此常使用单点接地。但是单点接地不适用于高频，因为高频时，地线上具有电感因而增加了地线阻抗，同时各地线之间有产生电感耦合。一般来说，频率在1MHz以下可用一点接地；高于10MHz时采用多点接地；在1~10MHz之间可用一点接地也可用多点接地

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