最近在買到的一塊板子上看到了單點接地的做法，之前繪製的PCB大多是單純的單片機數字電路，通常直接鋪銅完事，最多再考慮一下地平面的完整性，處理一下碎銅，所以藉此機會學習一下相關知識。
單點接地所要解決的問題就是針對公共地阻抗耦合和低頻地環路，而多點接地是針對高頻容易通過長地走線而產生的共模干擾。
什麼是地線
地線分爲安全地和信號地，安全地用於保證使用者人身安全，信號地用於保證電路正常工作。造成電路干擾的主要是信號地
信號地
信號地的一般定義是：電路的電位參考點。而這只是我們對電路工作狀態的“假設”。
地線也是導線，電流遊走在導線上服從歐姆定律，既然這樣，地線不是一個等點位體，不同位置存在壓差。電路的“電位參考點”偏離了我們最初的設計所造成的錯誤就是地線干擾的實質。
地線的阻抗
“地線要加粗”，老師一直這樣教導我們，而我們也一直視作金科玉律，不明所以但一絲不苟地照做。地線地電阻很小，那麼爲什麼底線上的電位差會大到讓電路出錯的程度？
地線的阻抗Z是由阻抗和感抗部分組成。
Z = RAC + jωL
地線的交流阻抗
導體的電阻分爲直流電阻RDC和交流電阻RAC。對於交流電阻RAC，由於趨膚效應，越靠近導體表面電流密度越大，使導體的電阻變大。
RAC = 0.076 × r × f × 0.5 × RDC
其中r爲導線半徑，單位cm; f是通過導線的電流頻率，單位Hz; RDC爲導線的直流電阻，單位Ω。通過公式可以發現，當電流頻率上升到MHz級別時，地線阻抗將變爲原來的數萬倍。
地線的感抗
任何導體內都有電感（這區別於通常所說的外電感，外電感時導體所包圍面積的函數），內電感與導線所包圍的面積無關，對於圓形截面導體，有如下轉換公式。
L = 0.2s × [ln(4.5 / d) - 1] (μH)
其中s是導體長度，單位m；d爲導體直徑，單位m。
導體直徑越小，長度越大，內電感將會越大。這與“PCB佈線應儘可能短而粗”的觀點一致。
地環路干擾
顧名思義，地環路干擾是由地環路電流引起的，通常在長地線連接的設備之間出現。如果斷開相互連接的設備，電路各部分即恢復正常，可以懷疑出現了地環路干擾。這種情況通常發生在干擾頻率較低的場合。
地環路電流形成的原因自然是由於地線上存在電位差。在地電壓的驅使下，電路各部分的連線之間將產生額外的電流，而由於電路的不平衡性，每根導線上產生的電壓又有所不同，這樣就產生了差模電壓，對電路造成干擾。
那麼地線上的壓差是如何產生的呢？
- 大功率元件共用地線，地線本身的阻抗因通過大電流而產生的壓差。
- 環境中存在較強的磁場，設備連線和地線所構成的環路產生感應電壓。
解決地環路干擾的基本思路
- 針對大電流而造成的地線壓差，可以減少地線阻抗，使用短而粗的地線，或PCB走線開窗鍍錫，提高載流能力。或者直接將地環路切斷，使用隔離變壓器、光耦器件、共模扼流圈等隔離器件。又或者改變線路結構，使用單點接地。（咦？似乎已經逐漸忘記標題）
單點接地
下圖中列出了接地方式以及它們之間的關係。
使用單點接地方式的電路佈線結構，模擬部分、數字部分、大功率原件分別使用並聯單點接地，而各部分內部可以使用串聯單點接地。
所謂的單點接地就是電路中所有的地線分別連接到公共地的同一點。單點接地又分爲串聯單點接地和並聯單點接地，向上圖左側，類似於串聯單點接地，而右側則是並聯單點接地。
兩種單點接地方式的的缺點
雖然串聯單點接地不會構成地線迴路，但有可能造成公共阻抗耦合。並聯單點接地的缺點也很明顯，走線數量增多了，勢必會增加PCB設計難度，影響布通率。
公共阻抗耦合
當兩個電路的電流流過一個公共電阻時，就發生了公共阻抗耦合因爲公共電阻的作用，其中一個電路的電位會受到另一個電路電流的調製，這樣另一個電路的信號就會耦合到另一個電路。這與地環路干擾的第一種情況類似。
舉例
放大器級間的公共阻抗耦合。
（c）圖中放大器前級放大器與後級共用一段地線，並在這段導線上產生了較大的壓差V，而不巧的是這段電壓恰好作用於前級輸入迴路。如果滿足一定相位關係就形成了正反饋，造成放大器自激。
解決方案
- 如（b）圖所示，改變電源位置，讓大電流直接流入電源而不經過前級輸入迴路。
- 如（d）圖所示，通過單點接地（並聯單點接地）讓放大器輸出直接接入公共地。
補充：多點接地
多點接地比較好理解，所有元件就近接地，地線很短，適合運行頻率較高的電路設計，這是因爲所有信號最終都流經地線構成迴路，過長的地線意味着無處不在的寄生電容和電感，通常大於10MHz的的電路就需要考慮多點接地。
多點接地的問題是難以避免或大或小的地環路。雙層板通過大面積鋪銅將各個元件的GND連接起來實際上採用的就是多點接地。
因爲雙層板沒有單獨的地層，走線對地平面的分割是在所難免的，非常容易出現地環路。所以在某些情況下也要通過過孔在另一面“打補丁”的方式保證地平面的完整性，減少地環路干擾。
補充：混合接地
在地線系統內使用電感、電容連接，利用電感、電容器件在不同頻率下的阻抗特性，使地線系統在不同的工作頻率下有不同的接地結構。
補充：如何處理數字電路和模擬電路共存的電路設計
衆所周知，數字電路工作在開關狀態，對電源干擾嚴重，所以在數字電路與模擬電路共存的電路設計中，數字電路和模擬電路分別進行獨立供電，地線分離，最終單點接地。
通常對於這種單點接地可以考慮使用0歐電阻或磁珠。磁珠的等效電路相當於帶阻限波器，只對某個頻點的噪聲有顯著抑制作用，使用時需要預先估計噪點頻率，以便選用適當型號。對於頻率不確定或無法預知的情況，磁珠不合適。
0歐電阻相當於很窄的電流通路，能夠有效地限制環路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗)，這點比磁珠強。
補充：信號地和電源地的分割
PCB佈線時要時刻清楚電源以及信號迴流的路徑，如果電源和信號的迴流路徑重合則容易產生公共阻抗耦合，對信號質量造成影響
補充：開爾文連接（Kelvin Connection）
開爾文連接是一種用於模擬信號遠傳的連接方法。其特點是不在驅動器的輸出端直接連接反饋到反相端，而從負載端將反饋接到放大器/驅動器的反相端的一種連接方法，其目的是減小線路電阻引起的誤差。
如上圖所示，反饋迴路採樣點連接到了負載端而不是放大器輸入端，目的是爲了避免導線造成的壓降（圖中R是導線電阻）。其背後的思路就是大小電流的電路分開。
這與我們上面所提到的公共阻抗耦合、信號地和電源地的分割佈線原則有相似之處。
所以在PCB設計時，心中要十分清楚電路的功能和電流通路，原理圖中的節點在實際佈線時的位置需要謹慎。
總結：
一般情況下，高頻電路應就近多點接地，低頻電路應該單點接地。在低頻電路中，佈線和元件間的電感並不是什麼大問題，而接地形成的環路影響很大，因此常使用單點接地。但是單點接地不適用於高頻，因爲高頻時，地線上具有電感因而增加了地線阻抗，同時各地線之間有產生電感耦合。一般來說，頻率在1MHz以下可用一點接地；高於10MHz時採用多點接地；在1~10MHz之間可用一點接地也可用多點接地。