Vad är GND i kretsen?

För att utforska elektroniska kretsar, förstå begreppet GND (mark) och dess flera roller i kretsdesign.GND, som ett grundelement i elektroniska kretsar, ger inte bara referenspotentialpunkten för kretsen utan spelar också en viktig roll i kretsens prestanda, stabilitet och säkerhet.Från det grundläggande säkerhetsskyddet för hushållsapparater till avancerade applikationer inom komplex elektronisk utrustning presenteras rollen och implementeringen av GND i många aspekter och deras komplexitet.Den här artikeln syftar till att ge en djupgående diskussion av de olika typerna av GND, hur de fungerar och deras betydelse i kretsdesign för att ge ett omfattande perspektiv på att förstå denna kritiska kretskomponent.

Vad är GND (mark)?

GND är förkortningen för mark.GND står för mark eller 0 tråd.

Mark kan också hänvisa till jorden, vilket inte är en riktig mark utan en antagen grund för tillämpningsändamål.Ansluter elektrisk utrustning till marken för att förhindra att användaren utsätts för höga spänningar.

Olika "grunder" i kretsen

Jordning är en kärnsäkerhetsfunktion för elektriska system.Dess huvudsakliga syfte är att säkerställa en säker drift av elektrisk utrustning, särskilt de med metallkroppar, såsom hushållskylskåp, tvättmaskiner eller ugnar.Genom design bör kroppen på dessa enheter inte vara live.Vid faktiskt användning kan flygkroppen emellertid laddas av misstag på grund av interna fel som åldrande eller skador på isoleringsmaterial.Om utrustningen inte är jordad kommer den levande kroppen direkt att orsaka risken för elektrisk stöt vid vid vid utrustningen.För att förhindra detta, att ansluta utrustningskroppen till marken via en dedikerad markledare säkerställer att varje felaktig ström riktas säkert till marken snarare än genom människokroppen som berör utrustningen.Sammansättningen av jordningen för elektrisk utrustning visas i figuren nedan.

Sammansättningen av jordning av elektrisk utrustning

På teknisk nivå förlitar sig jordning vanligtvis på en fysisk anslutning till en jordtråd eller markstång.Den ena änden av dessa markledningar är anslutna till en metalldel av utrustningen, och den andra änden är ansluten till byggnadens jordningssystem eller begravdes direkt under jord.Denna anslutningsmetod skapar effektivt en säker väg så att i händelse av ett internt fel riktas varje läckt ström effektivt till marken och därmed undviker risken för elektrisk chock.

I vissa miljöer med hög risk, utöver dess grundläggande säkerhetsroll, kan jordning också användas i samband med andra säkerhetsanordningar, såsom läckströmanordningar (RCD).Funktionen för dessa enheter är att övervaka om strömmen som strömmar in och ut ur enheten är balanserad.Om en obalans upptäcks (indikerar att strömmen kan flyta genom andra onormala vägar, såsom människokroppen), kommer enheten omedelbart att avbryta kraften för att förhindra elektrisk chock.

Inom speciell elektrisk utrustning spelar jordning en mer varierad roll, till exempel inom medicinsk utrustning eller laboratorieutrustning med hög precision, där den inte bara används för att skydda personal utan också för att säkerställa en exakt drift av utrustningen och för att förhindra elektromagnetisk störning.I sådana fall måste utformningen och implementeringen av jordning vara mer exakt och komplex för att uppfylla specifika säkerhets- och funktionella krav.

GND spelar en mycket viktig roll i elektronisk kretsdesign.Dess roll kan analyseras i djupet från följande tekniska dimensioner:

Den ena är att tillhandahålla en referenspotential.GND tillhandahåller vanligtvis den gemensamma referenspotentialen i en krets.Alla spänningar i en krets mäts relativt GND, vilket innebär att GND -punkten definieras som nollspänningspunkten.En vanlig referenspotent POINT säkerställer korrekta spänningsnivåer mellan kretskomponenter och exakt signalöverföring.

Den andra är bildandet av nuvarande slingbanor.I alla kretsar måste strömmen ha en komplett slingväg för att utföra korrekt drift.GND tillhandahåller vägen för strömmen att flyta från strömförsörjningen till lastdelen av kretsen (t.ex. transistor, motstånd, etc.) och sedan tillbaka till strömförsörjningen genom GND, och bildar en fullständig strömslinga.

Den tredje är elektromagnetisk störning (EMI) skärmning.Den viktigaste rollen för GND i kretsdesign är att minska yttre störningar, särskilt EMI.Genom att grunda den känsliga delen av kretsen kan de störande signalerna effektivt skakas till marken och därmed skydda kretsen från EMI.

Den fjärde är att förbättra kretsens prestanda och stabilitet.En bra jordningsdesign kan förbättra kretsens totala prestanda och stabilitet.Att använda en stjärnjord eller flera punkts jordningsstrategi kan minimera de potentiella skillnaderna orsakade av marktrådar och därmed minska brus och distorsion i signalvägen.I höghastighets digitala kretsar kan till exempel korrekta jordningsmetoder minska signalreflektioner och övergången och därmed förbättra signalintegriteten.

Den femte är säkerhetsskyddsmekanismen.I händelse av ett felvillkor, såsom en kortslutning eller skadad utrustning, ger GND en säker väg för att strömmen ska urladdas.Detta hjälper snabbt att shunt överflödigt ström, förhindra elektriska bränder eller skador på utrustning.Dessutom hjälper jordning att säkerställa operatörens säkerhet och förhindrar risken för elektrisk chock på grund av utrustningsfel.

Genom ovanstående analys kan vi se att GND inte bara är ett grundläggande element i elektronisk kretsdesign utan också nyckeln till att upprätthålla kretsprestanda, stabilitet och säkerhet.Under designprocessen har olika typer av kretsar olika krav för GND.Därför måste ingenjörer noggrant överväga jordningsstrategin för att säkerställa optimeringen och säkerheten för kretskonstruktionen.Oavsett om det är en enkel kretsdesign eller komplex systemintegration är en rimlig jordningsstrategi grunden för att uppnå effektiva, pålitliga och säkra elektroniska produkter.

4.1 Analog mark AGND

Analog mark AGND används huvudsakligen i analoga kretsar, särskilt i applikationer som involverar svaga analoga signaler, såsom ADC -förvärvskretsar och operativa förstärkarkretsar.I sådana kretsar, på grund av känsligheten och svagheten hos analoga signaler, är de extremt mottagliga för stor strömstörning från andra kretsar.Utan en dedikerad AGND kan dessa stora strömmar ge betydande spänningsdroppar i analoga kretsar, vilket orsakar signalförvrängning och till och med kretsfel i allvarliga fall.Därför är närvaron av AGND betydande för att upprätthålla integriteten och noggrannheten hos analoga signaler.

4.2 Digital Ground DGND

Digital mark DGND skiljer sig från analog mark AGND, särskilt i applikationer i digitala kretsar, såsom nyckeldetekteringskretsar, USB -kommunikationskretsar och mikrokontrollkretsar.En kärnkaraktäristik för digitala kretsar är att signalerna de bearbetar är diskreta, vilket innebär att signalen ändras mellan endast två tillstånd, vanligtvis identifieras som en digital "0" och en digital "1."Som visas nedan.

Digital Circuit Processing

Dessa tillstånd motsvarar olika spänningsnivåer, vanligtvis "0" representerar en låg nivå och "1" representerar en hög nivå.Snabba spänningsförändringar inträffar när en digital krets växlar från ett "0" -tillstånd till ett "1" tillstånd eller vice versa.Dessa förändringar involverar inte bara själva spänningen utan också de åtföljande förändringarna i strömmen.Enligt Maxwells elektromagnetiska teori genererar förändringar i denna ström ett förändrat magnetfält runt det, vilket i sin tur skapar elektromagnetisk störning (EMI), vilket kan orsaka störningar i andra komponenter i kretsen eller till angränsande kretsar.För att minska påverkan av denna elektromagnetiska störning på kretsens totala prestanda använder designers vanligtvis en oberoende digital mark DGND.Jämfört med analog mark (AGND) är DGND speciellt utformad för digitala kretsar för att tillhandahålla en stabil referenspunkt och effektivt isolera elektromagnetisk störning som genereras av digitala signaler.Detta hjälper till att minska kretsens totala ljudnivå och därigenom förbättra signalintegritet och krets tillförlitlighet.

I komplexa kretssystem, särskilt de som innehåller både analoga och digitala delar, är det viktigt att skilja mellan DGND och AGND.Eftersom analoga signaler är mer känsliga för brus kan separering av DGND och AGND säkerställa att den analoga delen inte påverkas av elektromagnetisk störning orsakad av digital signalomkoppling.Under kretskortet (PCB) design och layoutprocess måste placeringen av DGND: er noggrant övervägas för att undvika att bilda slingor, vilket kan orsaka aktuell slingstörning.Korrekt placerade DGND: er hjälper till att optimera signalintegriteten och minska utstrålade och genomföra störningar.

4.3 Power Ground PGND

I våra liv kommer kretsar att delas upp i lågeffektkretsar och högeffektkretsar.Den analoga marken AGND eller Digital Ground DGND som nämns ovan är lågeffektkretsar.För dessa högeffektkretsar såsom motordrivningskretsar, magnetventilens drivkretsar, etc. finns det också en speciell referensplats som kallas Power Ground PGND.I högeffektkretsar har strömmen och variationen i strömmen en mer uttalad effekt på jordningssystemet än i lågeffektkretsar.Jämfört med den analoga marken med låg effekt och den digitala marken DGND, kan därför sägas vara speciellt utformad för att hantera dessa höga strömmar och säkerställa kretsstabilitet.

I dessa högeffektkretsar kan den betydande ökningen av strömmen lätt resultera i markförskjutning mellan olika funktionella kretsar.Denna förskjutning inträffar när markreferenspunkten (GND) upplever en spänningsfall på grund av hög strömpassage.Anta till exempel att en krets är utformad som kräver en stabiliserad spänning på 5V, men på grund av en förskjutning i marken.I så fall kan GND-referenspunkten stiga från 0V till 1V, vilket kommer att få den faktiska spänningen att sjunka till 4V (5V-1V = 4V), vilket påverkar kretsens totala prestanda och tillförlitlighet.Därför, när man utformar högeffektkretsar, måste särskild uppmärksamhet ägnas åt layout och implementering av PGND.Korrekt PGND -design kan minimera effekterna av markförskjutning och säkerställa stabiliteten i kraftförsörjningen.Försök använda tjockare ledningar, dedikerade jordlager eller utforma flera jordningspunkter för att sprida strömmen, vilket minskar spänningsfallet vid en enda punkt.

Dessutom hjälper PGND också att minska elektromagnetisk störning (EMI) orsakad av höga strömmar.Genom att tillhandahålla en stabil markreferens hjälper PGND att minska brus och störningar i kretsar, särskilt i applikationer där elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) är en speciell hänsyn.

4.4 Power Ground GND

Analog mark AGND, digital mark DGND och Power Ground PGND tillhör alla kategorin DC mark GND.Dessa olika typer av grunder samlas så småningom för att bilda 0V -referensplatsen för hela kretsen, som är kraftplatsen GND.Spänningen och strömmen för alla kretsar härstammar från strömförsörjningen.Därför blir GND för strömförsörjningen grunden och utgångspunkten för alla kretsar.Detta förklarar varför olika typer av grunder i slutändan måste föras till kraften GND för att säkerställa kretsens övergripande konsistens och stabilitet.

4.5 Exchange Place CGND

AC Ground CGND visas vanligtvis i kretsprojekt som innehåller växelströmskällor, såsom AC-DC i figuren nedan.I dessa kretsar, eftersom den främre delen av kretsen är AC -delen och den bakre delen omvandlas till DC, bildas två olika markpunkter oundvikligen: en för AC -delen och den andra för DC -delen.För att säkerställa kretsens konsistens ansluter ingenjörer vanligtvis de två markpunkterna genom en kopplingskondensator eller induktor för att förena AC -marken och DC -marken.

DC och AC

4.6 Mark EGND

Mänsklig kroppssäkerhetsspänning anses i allmänhet vara en spänning lägre än 36V.När spänningen överskrider denna tröskel kan det orsaka skada om den appliceras på en mänsklig kropp.Därför, när man utformar högspänning och högströmskretsar, implementerar ingenjörer ofta EGND för att förbättra säkerheten.Detta är vanligt i kretsar av hushållsapparater som fläktar, kylskåp och tv -apparater.Ett uttag med mark EGND -skydd visas i figuren nedan.

Uttag med mark EGND -skydd

220V AC kräver endast levande och neutrala ledningar.Varför har hushållsapparater 3 terminaler?

Normalt kräver en strömförsörjning på 220V endast två ledningar: en varm tråd (varm tråd) och en neutral tråd (neutral tråd).Uttag för hushållsapparater inkluderar vanligtvis en tredje terminal, jordledningen EGND.Tillägget av denna tredje terminal, även om den inte deltar i kretsens huvudfunktion, ger kritiskt säkerhetsskydd.När ett fel uppstår inuti den elektriska apparaten, såsom isoleringsskada som gör att kroppen blir elektrifierad, ger det en säker flyktväg för ström.På detta sätt riktas varje felkorrigerad ström till marken snarare än genom människokroppen som berör anordningen, vilket minskar risken för elektrisk chock.Därför finns det en tydlig skillnad i krets betydelse mellan EGND och andra typer av markledningar GND.EGND är inte direkt involverad i kretsens huvudfunktion.Speciellt utformad för att förbättra säkerheten ansluter den till jorden för att tillhandahålla en stabil markreferenspunkt och genomför elektricitet under onormala förhållanden för att skydda utrustning och användare från höga spänningar.

Tillämpningen av EGND i kretsdesign är inte begränsad till hushållsapparater.EGND är ett nödvändigt säkerhetsmått i alla kretskonstruktioner som involverar högspänning eller ström.Det hjälper till att säkerställa att operativ säkerhet upprätthålls även i händelse av utrustningsfel eller andra ovanliga omständigheter.

I elektronisk kretskonstruktion verkar begreppet jordtråd GND enkelt, men det innehåller en mängd olika funktioner och klassificeringar, vilket gör ett till synes enkelt kretsproblem ganska komplicerat.Så varför finns det så många underavdelningar av GND -jordningsfunktioner?Generellt sett, när ingenjörer designar kretsar, namnger de ofta alla GND -marktrådar helt enkelt som GND och skiljer dem inte i den schematiska designen.Även om detta tillvägagångssätt är enkelt i drift, kommer det att orsaka en serie problem, särskilt i PCB -ledningssteget, där det är svårt att effektivt identifiera och hantera GND -marktrådarna för olika kretsfunktioner.

När det gäller frågan om signalövergång, när GND: er av olika funktioner är direkt anslutna, särskilt när GND för en högeffektkrets blandas med GND för en lågeffektkrets, kan det ha en inverkan på 0V-referenspunkten förlågeffektkrets.En sådan ledningsmetod kan enkelt orsaka signalövergång mellan olika kretsar och därmed påverka kretsens prestanda.Till exempel, i ett system som innehåller höghastighets digitala kretsar och precisionsanaloga kretsar, om samma GND delas, kan högfrekvensomkopplingsoperationer i de digitala kretsarna orsaka betydande spänningsfluktuationer på den delade GND-vägen.Dessa fluktuationer sprider sig genom GND -vägen, vilket påverkar prestandan för analoga kretsar.Därför är det idealiskt att använda separata GND -plan eller spår för att minska denna ömsesidiga störning.

När man utformar mer komplexa kretssystem blir hanteringen av GND mer komplex.Till exempel, i ett kretssystemprojekt som inkluderar både analoga och digitala delsystem, när AGND för en analog krets är ansluten till CGND för en nätströmförsörjning, kan stabiliteten hos AGND påverkas av periodiska förändringar i CGND.Spänningen vid CGND för växelströmsförsörjningen fluktuerar regelbundet, medan DC -marken GND i allmänhet förblir konstant vid 0V.Denna fluktuation kan spridas till den analoga kretsen, vilket orsakar avvikelser i referensspänningen.För att undvika detta är ett vanligt tillvägagångssätt att använda isoleringstekniker eller använda ett separat AGND -plan för att säkerställa signalprecision och noggrannhet.

Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) är ett viktigt övervägande i kretskonstruktionen, och LAYS -utformningen har också en betydande inverkan på EMC.När GND: erna för olika kretsar är anslutna kan kretsen med den starkare signalen direkt störa kretsen med den svagare signalen.Denna störning kan leda till att kretsen med den svagare signalen blir en källa till elektromagnetisk strålning från en starkare extern källa, vilket gör EMC -hanteringen av kretsen svårare.Om du är orolig för den här typen av problem kan du överväga tekniker som filtrering, skärmning och dedikerade GND -anpassningar under design för att minimera förekomsten av sådana störningar.

EMC -filter

Slutligen ju färre signalförbindelser mellan kretssystem, desto större är deras förmåga att arbeta självständigt.Tvärtom, ju mer signalanslutningar det finns, desto svagare förmågan hos varje kretssystem att arbeta självständigt.Om markkablarna för kretsar med olika funktioner är anslutna, motsvarar det att lägga till en potentiell störningslänk mellan kretsarna, vilket kan minska kretsens totala tillförlitlighet.Om det till exempel inte finns någon skärning mellan två kretssystem A och B kommer funktionaliteten för system A inte att påverka den normala driften av system B och vice versa.Men om markkablarna för dessa system är blandade, kan onödiga störningar införas, vilket påverkar kretsens stabilitet och tillförlitlighet.

Sammantaget går GND: s roll i elektronisk kretsdesign långt utöver en enkel jordningspunkt.Från att säkerställa grundläggande elektrisk säkerhet till att säkerställa korrekt och stabil drift av kretsar kan inte vikten av GND ignoreras.Det är flera klassificeringar och komplexa arbetsprinciper kräver att ingenjörer antar sofistikerade och tankeväckande strategier när de utformar och implementerar kretsar.Oavsett om det är vanliga elektriska apparater i vardagen eller avancerade teknikprodukter, är en rimlig jordningsstrategi grunden för att uppnå effektiva, pålitliga och säkra elektroniska produkter.För alla projekt som involverar elektroniska kretsar är därför en grundlig förståelse av GND: s egenskaper och applikationer nyckeln till en framgångsrik design.