电路中的各种GND
时间:2023-05-11 16:37:00
问一个简单而困难的电路问题:电路中的地线GND,它的本质是什么?
在PCB Layout在布线过程中,工程师将面临不同的问题GND处理。
为什么?在电路原理设计阶段,为了减少电路之间的相互干扰,工程师通常会引入不同的产品GND地线作为不同功能电路的0V形成不同的电流回路。
GND地线的分类
1 模拟地线AGND
模拟地线AGND,主要用于模拟电路部分,如模拟传感器ADC采集电路、操作放大比例电路等。
在这些模拟电路中,由于信号是模拟信号和弱信号,很容易受到其他电路的大电流的影响。如果不区分,大电流会在模拟电路中产生大压降,导致模拟信号失真,严重时可能导致模拟电路功能失效。
2 数字地线DGND
数字地线DGND,显然是相对模拟地线AGND主要用于数字电路部分,如按键检测电路,USB通信电路、单片机电路等。
建立数字地线的原因DGND,因为数字电路有一个共同的特点,都是离散的开光信号,只区分数字0和数字1,如下图所示。
在从数字0电压跳转到数字1电压或从数字1电压跳转到数字0电压的过程中,电压发生了变化。根据麦克斯韦电磁理论,变化电流周围会产生磁场,对其他电路形成磁场EMC辐射。
没有办法,为了减少电路EMC一个单独的数字地线必须用于辐射影响DGND,有效隔离其他电路。
3 功率地线PGND
模拟地线AGND数字地线DGND不管怎样,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,也有单独的参考地线,称为功率地线PGND。
顾名思义,大功率电路是一种电流较大的电路。显然,大电流容易引起不同功能电路之间的地面偏移,如下图所示。
一旦电路中有地偏移,原来的5V电压就可能不是5V它变成了4V。因为5V电压是参考GND地线0V就地偏移而言,如果地偏移GND地线由0V抬升到了1V,那么之前的5V(5V-0V=5V)电压现在变成了4V(5V-1V=4V)了。
4 电源地线GND
模拟地线AGND,和数字地线DGND还有功率地线PGND,都被归类为直流地线GND。这些不同类型的地线最终作为整个电路聚集在一起V参考地线,称为电源地线GND。
电源是所有电路的能源。所有电路工作所需的电压和电流都来自电源。因此,电源地线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,需要与电源地线相匹配GND聚在一起。
5 交流地线CGND
交流地线CGND,一般存在于含有交流电源的电路项目中,如AC-DC交流直流电源电路。
AC-DC电源电路分为两部分。电路的前级是AC在交流部分,电路的后级是DC直流部分被迫形成两条地线,一条是交流地线,另一条是直流地线。
交流地线作为交流电路的0部分V直流地线作为直流电路零的参考点V参考点。通常在电路中统一地线GND,工程师将通过耦合电容或电感将交流地线与直流地线连接起来。
6 大地地线EGND
人体安全电压为36V以下,超过36V如果在人体上施加电压,会对人体造成损害,这是工程师设计电路项目方案的安全常识。
为了提高电路的安全系数,工程师通常在高压大电流项目中使用地线EGND,例如,在家用电器电风扇、冰箱、电视等电路中。EGND保护功能的插座,如下图所示。
为什么家用电器的插座有三个端子?V交流电只需要火线和零线,那为什么插座是三个接线端子呢?
插座的三个端子用于220V火线和零线,另一个终端是起保护作用的地线EGND。
芯片哥需要强调的是地线EGND,它只与我们的地球相连,起到高压保护作用,不参与工程电路功能,与电路功能无关。
所以地线EGND,其它类型的地线GND有明显的电路含义差异。
细究GND的原理
工程师可能会问,一条地线GND怎么会有这么多区别,简单的电路问题怎么会这么复杂?
为什么要引入这么多细分?GND地线功能呢?
工程师通常针对这类GND地线设计问题简单统一命名GND,原理图设计过程中没有区别,导致原理图设计过程中没有区别PCB很难有效识别不同电路的功能GND地线,所有的地线,直接和简单GND地线连接在一起。
尽管操作简单,但这将导致一系列问题:
1 信号串扰
假设不同功能的地线GND大功率电路通过地线直接连接在一起GND,0会影响小功率电路V参考点GND,这就产生了不同电路信号之间的串扰,相关文章:了解地弹(地噪)。
2 信号精度
对于模拟电路,其评估的核心指标是信号的精度。如果失去精度,模拟电路将失去原有的功能意义。
交流电源地线CGND由于是正弦波,是周期性的上下波动变化,其电压也是上下波动,不像直流地线GND一直保持在一个0V上不变。
不同电路的地线GND交流地线连接在一起,周期性变化CGND地线将驱动模拟电路AGND变化会影响模拟信号的电压精度值。
3 EMC实验
信号越弱,外部电磁辐射越弱EMC信号越强,外部电磁辐射越弱;EMC也就越强。
如果不同电路的地线是不同的GND连接在一起,信号强电路的地线GND,信号弱电路的地线直接干扰GND。其后果是原始信号弱的电磁辐射EMC,它也成为外部电磁辐射强的信号源,增加了电路处理EMC实验难度。
4 电路可靠性
在电路系统之间,信号连接的部分越少,电路独立运行的能力就越强;信号连接的部分越多,电路独立运行的能力就越弱。
假设两个电路系统A和电路系统B,没有交集,电路系统A的功能显然不会影响电路系统B的正常工作,电路系统B的功能也不会影响电路系统A的正常工作。
这就像一对陌生的男人和女人。在成为恋人之前,女孩的情绪变化不会影响男孩的情绪,因为交集。
如果在电路系统中连接不同功能的电路地线,相当于增加了电路之间干扰的联系,即降低了电路运行的可靠性。
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