在電子電路設(shè)計(jì)中，接地(GND)通常被視為一個(gè)統(tǒng)一的、無電壓差的參考點(diǎn)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是當(dāng)涉及復(fù)雜印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)時(shí)，這種簡單的假設(shè)往往會(huì)引發(fā)意想不到的問題。本文將深入探討當(dāng)GND不是GND時(shí)，單端電路如何轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娐?，以及這一轉(zhuǎn)變對(duì)電路性能的影響。

一、GND在電路中的基礎(chǔ)理解

在電路原理圖中，GND符號(hào)遍布各個(gè)角落，它代表電路的參考電位點(diǎn)，通常設(shè)定為0V。原理圖設(shè)計(jì)者往往假設(shè)所有GND在PCB上都將處于相同的電勢(shì)下，這是基于理想化的電路模型。然而，在實(shí)際情況中，PCB上的GND網(wǎng)絡(luò)并不是完美的導(dǎo)體，存在阻抗和電阻，這會(huì)導(dǎo)致電流在GND網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電壓降。

二、GND不是GND的現(xiàn)象

當(dāng)GND不是GND時(shí)，意味著PCB上不同位置的GND之間存在電壓差。這種電壓差可能由多種因素引起，包括但不限于GND網(wǎng)絡(luò)的布局、電流路徑的選擇、以及PCB上其他元件的干擾。當(dāng)這些電壓差足夠大時(shí)，它們會(huì)對(duì)電路的性能產(chǎn)生顯著影響。

三、單端電路與差分電路的區(qū)別

3.1 單端電路

單端電路是指信號(hào)源和負(fù)載僅通過單一路徑連接到GND的電路。在這種電路中，信號(hào)的參考點(diǎn)是GND，所有電壓和電流的測量都是相對(duì)于GND進(jìn)行的。單端電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，但在GND存在電壓差的情況下，其性能可能會(huì)受到嚴(yán)重影響。

3.2 差分電路

差分電路則是一種利用兩個(gè)信號(hào)(差分信號(hào))之間的差值來傳輸信息的電路。差分信號(hào)對(duì)共模噪聲和干擾具有更強(qiáng)的抑制能力，因此在許多高性能應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)原本設(shè)計(jì)為單端電路的電路由于GND電壓差而轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娐窌r(shí)，這通常是一個(gè)不期望的、負(fù)面的變化。

四、GND不是GND時(shí)單端電路的轉(zhuǎn)變

當(dāng)PCB上的GND存在電壓差時(shí)，原本設(shè)計(jì)為單端電路的電路可能會(huì)表現(xiàn)出差分電路的特性。這是因?yàn)殡娐分械母鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于不同的GND參考點(diǎn)會(huì)有不同的電壓值，從而導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中發(fā)生畸變。

以標(biāo)準(zhǔn)非反相放大器電路為例，當(dāng)輸入電源VIN和輸入電阻器RI的GND電勢(shì)相等時(shí)，電路增益為1+RF/RI。然而，如果在輸入電源GND與RI GND連接之間插入一個(gè)電壓源VGND2，就會(huì)引入一個(gè)GND電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)差會(huì)通過RF/RI反相電路增益影響輸出信號(hào)，導(dǎo)致輸出誤差。具體來說，一個(gè)小的GND電勢(shì)差就能顯著降低所需的輸出電壓，引入相對(duì)較大的誤差。

五、對(duì)電路性能的影響

當(dāng)單端電路因GND電壓差而轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娐窌r(shí)，電路的性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。具體表現(xiàn)包括：

輸出誤差增加：由于GND電壓差的存在，輸出信號(hào)會(huì)偏離預(yù)期值，導(dǎo)致誤差增加。

信號(hào)畸變：差分信號(hào)的特性可能導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中發(fā)生畸變，影響信號(hào)質(zhì)量。

系統(tǒng)穩(wěn)定性下降：GND電壓差還可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)自激振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

六、解決方案

為了解決GND不是GND時(shí)單端電路轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娐返膯栴}，可以采取以下措施：

優(yōu)化PCB布局：使用適當(dāng)?shù)腜CB布局技術(shù)，使電路輸入電源、輸入電阻器以及輸出電壓的GND處于相同的電勢(shì)下。這可以通過減少GND網(wǎng)絡(luò)的阻抗和電阻來實(shí)現(xiàn)。

采用“星形”GND方法：將重要的GND連接在物理上相互靠近，形成星形結(jié)構(gòu)。這種方法可以降低GND連接之間的PCB阻抗，從而減少電壓電勢(shì)差異。

增加去耦電容：在GND網(wǎng)絡(luò)中增加去耦電容，以吸收高頻噪聲和干擾，減少GND電壓差。

定期檢查和測試：在電路設(shè)計(jì)和制造過程中，定期檢查和測試GND網(wǎng)絡(luò)的電壓差，確保其在可接受范圍內(nèi)。

七、結(jié)論

GND不是GND時(shí)，單端電路會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娐?，這是電子電路設(shè)計(jì)中一個(gè)常見且重要的問題。這種轉(zhuǎn)變會(huì)對(duì)電路的性能產(chǎn)生顯著影響，包括輸出誤差增加、信號(hào)畸變和系統(tǒng)穩(wěn)定性下降等。通過優(yōu)化PCB布局、采用“星形”GND方法、增加去耦電容以及定期檢查和測試等措施，可以有效解決這一問題，確保電路的穩(wěn)定性和性能。在電子電路設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到GND的重要性，并采取有效措施來確保GND網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和一致性。