在电子电路设计中，接地(GND)通常被视为一个统一的、无电压差的参考点。然而，在实际应用中，特别是当涉及复杂印刷电路板(PCB)设计时，这种简单的假设往往会引发意想不到的问题。本文将深入探讨当GND不是GND时，单端电路如何转变为差分电路，以及这一转变对电路性能的影响。
一、GND在电路中的基础理解
在电路原理图中，GND符号遍布各个角落，它代表电路的参考电位点，通常设定为0V。原理图设计者往往假设所有GND在PCB上都将处于相同的电势下，这是基于理想化的电路模型。然而，在实际情况中，PCB上的GND网络并不是完美的导体，存在阻抗和电阻，这会导致电流在GND网络中流动时产生电压降。
二、GND不是GND的现象
当GND不是GND时，意味着PCB上不同位置的GND之间存在电压差。这种电压差可能由多种因素引起，包括但不限于GND网络的布局、电流路径的选择、以及PCB上其他元件的干扰。当这些电压差足够大时，它们会对电路的性能产生显著影响。
三、单端电路与差分电路的区别
3.1 单端电路
单端电路是指信号源和负载仅通过单一路径连接到GND的电路。在这种电路中，信号的参考点是GND，所有电压和电流的测量都是相对于GND进行的。单端电路的设计相对简单，但在GND存在电压差的情况下，其性能可能会受到严重影响。
3.2 差分电路
差分电路则是一种利用两个信号(差分信号)之间的差值来传输信息的电路。差分信号对共模噪声和干扰具有更强的抑制能力，因此在许多高性能应用中得到广泛应用。然而，当原本设计为单端电路的电路由于GND电压差而转变为差分电路时，这通常是一个不期望的、负面的变化。
四、GND不是GND时单端电路的转变
当PCB上的GND存在电压差时，原本设计为单端电路的电路可能会表现出差分电路的特性。这是因为电路中的各个节点相对于不同的GND参考点会有不同的电压值，从而导致信号在传输过程中发生畸变。
以标准非反相放大器电路为例，当输入电源VIN和输入电阻器RI的GND电势相等时，电路增益为1+RF/RI。然而，如果在输入电源GND与RI
GND连接之间插入一个电压源VGND2，就会引入一个GND电势差。这个电势差会通过RF/RI反相电路增益影响输出信号，导致输出误差。具体来说，一个小的GND电势差就能显著降低所需的输出电压，引入相对较大的误差。
五、对电路性能的影响
当单端电路因GND电压差而转变为差分电路时，电路的性能会受到严重影响。具体表现包括：
输出误差增加：由于GND电压差的存在，输出信号会偏离预期值，导致误差增加。
信号畸变：差分信号的特性可能导致信号在传输过程中发生畸变，影响信号质量。
系统稳定性下降：GND电压差还可能影响系统的稳定性，导致系统出现自激振荡等不稳定现象。
六、解决方案
为了解决GND不是GND时单端电路转变为差分电路的问题，可以采取以下措施：
优化PCB布局：使用适当的PCB布局技术，使电路输入电源、输入电阻器以及输出电压的GND处于相同的电势下。这可以通过减少GND网络的阻抗和电阻来实现。
采用“星形”GND方法：将重要的GND连接在物理上相互靠近，形成星形结构。这种方法可以降低GND连接之间的PCB阻抗，从而减少电压电势差异。
增加去耦电容：在GND网络中增加去耦电容，以吸收高频噪声和干扰，减少GND电压差。
定期检查和测试：在电路设计和制造过程中，定期检查和测试GND网络的电压差，确保其在可接受范围内。
七、结论
GND不是GND时，单端电路会转变为差分电路，这是电子电路设计中一个常见且重要的问题。这种转变会对电路的性能产生显著影响，包括输出误差增加、信号畸变和系统稳定性下降等。通过优化PCB布局、采用“星形”GND方法、增加去耦电容以及定期检查和测试等措施，可以有效解决这一问题，确保电路的稳定性和性能。在电子电路设计中，我们应该充分认识到GND的重要性，并采取有效措施来确保GND网络的稳定性和一致性。
