Что такое GND? Объяснение смысла, типов и заземления печатной платы

GND появляется почти на каждой схеме, печатной плате, блоке питания и электронном модуле. Его часто называют «нулевыми вольтами» или «отрицательным терминалом», но ни одно из описаний не является универсально правильным.

в электронике, GND означает землю. Это опорный узел, по которому измеряются другие напряжения, и во многих схемах часть пути, по которому ток следует обратно к его источнику. Заземление цепи может быть соединено с физической землей, но это не обязательно. Понимание этого различия необходимо при проектировании, тестировании или устранении неполадок печатной платы.

Что означает GND в электронике?

GND является стандартной аббревиатурой для земля. В цепи он обычно идентифицирует узел, присвоенный потенциалом 0 В. Затем все остальные напряжения узлов могут быть описаны относительно этой ссылки.

Например, когда схематическая маркировка рельса как +5 В, обычно это означает, что рельс на 5 В выше указанного узла GND. Мультиметр подтверждает это значение, измеряя разность потенциалов между рельсами +5 В и GND.

Это не означает, что GND повсюду имеет абсолютное напряжение. Напряжение — это всегда разница между двумя точками. Конструкторы выбирают удобный узел в качестве локального эталона 0 В, точно так же, как высота может быть указана относительно уровня моря, даже если возможны другие точки отсчета.

короткий ответ

GND — это общий опорный узел, используемый для определения уровней напряжения в цепи. Он также обычно обеспечивает возвратный путь, который позволяет току завершить цикл обратно к источнику питания.

Всегда ли GND связан с землей?

Нет. Датчик с батарейным питанием, телефон, дрон или изолированная плата управления может работать без проводящего соединения с почвой или защитной системой здания. Его GND представляет собой локальную схему, иногда называемую плавающей землей, когда она не имеет преднамеренного соединения заземления.

Связанное с землей оборудование отличается. В некоторых продуктах заземление цепи намеренно присоединяется к шасси или защитной земле из-за безопасности, электромагнитной совместимости или соображений измерения. Стратегия подключения зависит от системы, применимых требований безопасности и конструкции ЭМС.

Зачем цепи нужен GND?

GND служит нескольким связанным целям. Важность каждого из них зависит от схемы.

он обеспечивает ссылку на напряжение

Метка, такая как 3,3 В, не имеет полного значения, пока не будет известна точка отсчета. В большинстве цифровых цепей 3,3 В означает 3,3 В относительно GND. Логические пороги, аналоговые входы, выходы датчиков и шины питания зависят от общей ссылки.

Два подключенных устройства могут не взаимодействовать, даже если их сигнальные провода верны, если они не используют подходящую ссылку или используют изолированный / дифференциальный интерфейс, предназначенный для допуска разности привязки.

он завершает текущий цикл

Ток должен течь по замкнутому контуру. В простой цепи постоянного тока обычный ток может покидать положительную клемму источника питания, проходить через нагрузку и возвращаться к источнику через проводник с надписью GND.

Важная фраза Вернуться к источнику. Ток не исчезает, когда он достигает символа земли. Символ может заменить несколько нарисованных проводов на схеме, но физические проводники, плоскости, кабели и исходные соединения по-прежнему образуют полную петлю.

Помогает контролировать шум и EMI

Настоящие проводники имеют сопротивление и индуктивность. Ток, протекающий через полное сопротивление, создает разницу в напряжении:

V = я Z

Для быстро меняющегося тока паразитная индуктивность добавляет переходный компонент, обычно выражающийся в виде:

v = l\frac{di}{dt}

Вот почему «земля» в одной печатной плате может не иметь точно такого же мгновенного потенциала, что и «земля». Низкоимпедансная структура и компактные обратные пути снижают связь с общей импедансом, отскок земли, излучаемые выбросы и восприимчивость к помехам.

он может поддерживать электрическую безопасность

Защитная земля обеспечивает преднамеренно низкоимпедансный ток для тока неисправности, так что предохранитель, автоматический выключатель или другое защитное устройство могут действовать. Эта функция безопасности отличается от обычного возврата сигнала. Защитно-земляная конструкция регулируется архитектурой продукта и применимыми стандартами электробезопасности; Его никогда не следует импровизировать из общего правила заземления печатной платы.

Как GND работает в простой схеме?

Рассмотрим питание 5 В, питающее микроконтроллер:

1. Подача создает разницу потенциалов между выходом 5 В и возвратной клеммой.
2. Обратный терминал обозначен как GND.
3. Ток течет от источника, через микроконтроллер и его опорные компоненты, а также обратно к источнику по сети GND.
4. Напряжения сигнала интерпретируются относительно того же эталона GND.

Если выход датчика на 2 В выше земли датчика, но земля микроконтроллера отличается на 0,5 В, приемник может иметь 1,5 В или 2,5 В в зависимости от направления смещения. Эта разница может создать ошибку измерения или даже логическую ошибку. Таким образом, хорошее заземление связано как с связностью, так и с импедансом обратного пути.

На высоких частотах обратный ток не просто принимает один абстрактный «самый короткий» путь. Он делится между доступными траекториями в соответствии с импедансом и стремится концентрироваться вблизи сигналовой трассы на своей опорной плоскости, где индуктивность петли низкая. Зазор или щель в этой плоскости могут заставить обратный ток к объезду, увеличивая площадь петли, шум и излучение.

Общие виды земли

Слово «земля» может описывать несколько узлов или проводников с разными заданиями. Их имена полезны только тогда, когда их отношения четко определены.

Тип заземления	Главное предложение	Общее использование	Важная осторожность
Заземление цепи / 0 В	Опорное напряжение и токовый возврат	Большинство электронных схем	может плавать относительно земли
Сигнал земл	Ссылка и возврат для сигналов	Датчики, усилители, интерфейсы	Шумовой ток может повредить небольшие сигналы
Силовая земля	Возврат для более высокого тока нагрузки	Двигатели, преобразователи, ступень мощности	Большой ток может создавать падение напряжения и отскок земли
Аналоговая земля (AGND)	Ссылка на чувствительную аналоговую схему	АЦП, ЦАП, усилители	Этикетка не требует автоматического использования отдельной плоскости.
Цифровая земля (DGND)	Возврат для цифрового тока переключения	MCU, FPGA, логика	Быстрые края могут генерировать широкополосный шум
Шасси заземление	Подключение к проводящему корпусу	Промышленное оборудование, Экранированная продукция	Может подключаться к заземлению, заземлению цепи или обе в определенных точках
Защитная земля (PE)	Shock and fault protection	Электропитание с электроприводом	Обычно не используется в качестве обычного возврата тока нагрузки
Виртуальная земля	активно или пассивно создаваемое опорное напряжение	Однозарядные аналоговые схемы	Имеет конечную токовую емкость и импеданс
плавающая земля	Локальная ссылка без преднамеренной связи Земли	Батарея и изолированные системы	все еще может соединиться на земле через емкость или инструменты

National Instruments отмечает, что различные заземляющие символы не обязательно эквивалентны и что между основаниями может существовать измеряемое напряжение. Поэтому дизайнеры должны использовать правильные символы и имена сетей вместо того, чтобы помещать каждую функцию земли на неопределенное Гнд нетто

GND против земли, шасси и нейтраль

Эти термины связаны, но они не являются синонимами.

GND против земли

Схема GND — это электрическая опорная связь, выбранная в цепи. Земляной грунт является преднамеренным соединением с физической землей или системой защиты заземления установки.

Схема GND может быть:

• непосредственно привязан к защитной земле;
• соединенные с шасси или землей через конденсаторы или сеть импеданса;
• соединены в одной контролируемой точке; или
• Полностью изолирован при нормальных условиях эксплуатации.

Правильное расположение зависит от защиты от ударов, номинальных характеристик изоляции, ESD, Surge, EMI, интерфейсов и заземления на уровне системы.

GND против заземления шасси

Земля шасси соединяется с токопроводящим корпусом, рамой, щитом или монтажной конструкцией. Он может обеспечить путь для помех ESD и высокочастотных помех, а также может быть связан с защитной землей.

Заземление цепи и заземление шасси иногда подключаются напрямую, иногда через компонентную сеть, а иногда и в изоляции. Шайты соединителей часто нуждаются в короткой, низкоиндуктивной трассе к шасси, а не к длинной трассе через сеть сигнал-земля. Соединение должно быть спланировано как часть ЭМС и архитектуры безопасности продукта.

GND против нейтрального

Нейтраль является заземленным проводником в системе распределения переменного тока и обычно переносит ток нагрузки. Защитная земля является предохранительным проводником и обычно несет только ток утечки или неисправности. Ни один из них не должен рассматриваться как случайная замена цепи GND.

Нейтральная и защитная земля может быть связана в определенной точке электрической установки, но подключение их в другом месте может создавать небезопасные токи касания, параллельные пути тока или нормативные нарушения. Подключение сети должно быть разработано и обслуживаться только квалифицированным персоналом в соответствии с действующим кодексом.

GND положительный или отрицательный?

GND не является ни положительным, ни отрицательным. это ссылка.

В типичной цифровой схеме с одним источником отрицательный вывод питания выбирается как GND, поэтому другая рейка положительна по отношению к ней. Однако это скорее дизайн, а не универсальное правило.

Другие примеры включают:

• Расщепление может использовать свою середину в качестве GND, производя рельсы +12 В и -12 В.
• В некоторых устаревших и специализированных системах используется архитектура с положительной основой.
• Виртуальная земля может находиться на половине напряжения питания, например, 2,5 В в аналоговой схеме 5 В.
• Изолированная вторичная цепь может иметь GND, который плавает относительно первичной стороны земли и земли.

Всегда считывайте схему и архитектуру питания, прежде чем предположить, что терминал, помеченный GND, идентичен отрицательному источнику питания, шасси или земле.

Что такое заземляющая плоскость на печатной плате?

Наземная плоскость — это относительно большая медная область, соединенная с сеткой заземления. Он может занимать большую часть внутреннего слоя печатной платы или появляться в виде медной заливки на наружном слое.

По сравнению с длинным узким наземным следом хорошо спроектированная плоскость обеспечивает более низкую стойкость и индуктивность. Он также дает высокочастотный сигнал и токи развязки компактный обратный путь. Texas Instruments и аналоговые устройства подчеркивают значение низкоимпедансных заземляющих плоскостей для обратных токов, управления электромагнитными помехами и высокоскоростных трансмиссии.

Преимущества непрерывной плоскости

• Меньший импеданс обратного пути
• Меньшая площадь петли сигнального тока
• Лучшая целостность сигнала
• Уменьшенная связь с единым импедансом
• Более низкие излучаемые выбросы и восприимчивость
• Более предсказуемое контролируемое импеданс
• Улучшенное распространение тепла в некоторых макетах

Наземная плоскость не действует автоматически только потому, что существует большая медная площадь. Узкие шеи, плоские шпагаты, изолированные медные острова, редкие швы и плохо расположенные антипады могут прерывать или сжимать обратный путь.

Лучшие практики заземления печатных плат

Для каждой платы не существует единой компоновки заземления. Низкочастотный датчик, РЧ-модуль, контроллер двигателя и устройство с питанием от сети имеют разные требования. Следующие принципы являются полезной отправной точкой.

1. Начните с текущих путей, а не с имен

Определите, откуда исходит каждый ток и как он возвращается к своему источнику. Обратите особое внимание на регуляторы коммутации, тактовые линии, драйверы затвора, двигатели, реле, светодиоды сильноток, входы АЦП и разъемы связи.

Поместите и проведите схему так, чтобы шумовые или сильноточные контуры оставались компактными и не разделяли чувствительные пути возврата. Обе сети могут называться GND, но при этом мешают друг другу через общий импеданс.

2. Используйте непрерывную опорную плоскость, когда практично

Для большинства многослойных цифровых и смешанных сигналов сплошная заземляющая плоскость, примыкающая к сигнальному уровню, обеспечивает надежную ссылку и короткий путь возврата. Держите быстрые следы на том же беспрепятственном опорном самолете для их полного маршрута.

Избегайте маршрутизации высокоскоростной трассировки по разделению, слоту или пустоте в его опорной плоскости. Если обратный ток должен объезжать разрыв вокруг разрыва, большая петля может увеличить перекрестные помехи и электромагнитные помехи. TI специально предупреждает, что сигналы о пересечении тока разделения силы в большие петли.

3. Компоненты раздела по функциям

Физическое размещение часто имеет большее значение, чем назначение нескольких имен наземных сетей. Групповые аналоговые, цифровые, коммутационные мощности и сильноточные участки, чтобы их локальные токи циркулировали в контролируемых областях.

Держите чувствительные аналоговые входы подальше от часов, коммутационных узлов и быстрых цифровых шин. Не маршрутизируйте цифровые сигналы через аналоговую секцию только потому, что обе области имеют одну плоскость.

4. Лечение AGND и DGND в соответствии с даташитом

PIN-коды AGND и DGND часто описывают отдельные функции внутри IC смешанного сигнала; Они не инструктируют автоматически конструктор печатной платы создавать два изолированных заземляющих плоскости. Многие преобразователи требуют, чтобы оба контакта подключались к одному и тому же низкоимпедансному эталону рядом с устройством.

Разделение земли без изучения пути возврата может ухудшить производительность. Следуйте эталонной компоновке производителя ИС, оцените внутренний цифровой ток и проверьте конструкцию с помощью измерений, когда приложение чувствительно.

5. Держите петли развязки короткими

Поместите каждый высокочастотный конденсатор развязки близко к соответствующей силовой и заземляющей контактам. Используйте короткие, широкие соединения и поместите питание и заземление вплотную к конденсаторным площадкам.

Целью является небольшая контур с низкой индуктивностью между IC, конденсатором, подключением питания и плоскостью заземления. Analog Devices рекомендует прямое подключение к низкоимпедансной плоскости с короткими трассами или пропусками, поскольку индуктивность соединения снижает эффективность развязки.

6. Обеспечьте непрерывность возврата при переходах

Когда высокоскоростной сигнал меняет уровни, его обратный путь может также потребоваться перемещение между опорными плоскостями. Поместите VIA в ближнем свете, когда оба опорных слоя заземлены. Если сигнал изменяется между плоскостями, находящимися в разных ссылках, используйте соответствующую стратегию возврата, основанную на стеке и частотном содержимом.

Сшить земную медь по краям доски, границы щита или шумных областей, когда требует проект EMC. Избегайте плавучих медных островов; Подсоедините их правильно или удалите.

7. Размер сильноточных возвратов для падения напряжения и тепла

Для возврата двигателя, нагревателя, светодиода, аккумулятора и преобразователя мощности может потребоваться широкая медная зона, более тяжелая медь, множественные переходы или выделенные плоскости. Рассчитайте ожидаемое падение напряжения и повышение температуры, а не предполагайте, что любая заливка земли адекватна.

Держите эти токи вне прецизионных датчиков и опорных траекторий. Соединения Кельвина или отдельные возвраты смысла могут потребоваться, когда точность на уровне милливольта имеет значение.

8. Планируйте шасси и соединительную систему сознательно

Определите, куда подключаются экраны кабелей, шасси, заземление цепи и защитные заземления. Рассмотрим ток неисправности, ESD, скачок, синфазный шум, изоляцию и нормативные зазоры. Защитные провода и защитные пути печатной платы должны быть рассчитаны и сконструированы для их необходимой защиты.

Распространенные ошибки GND

Предполагая, что каждый наземный символ представляет один и тот же физический узел

Схематические символы уменьшают беспорядок, но они также могут скрывать важные различия. Проверьте названия сетей и соединения между аналоговой землей, цифровой землей, шасси, изолированной землей и защитной землей.

Разделение плоскости земли без плана возврата

Может показаться, что расщепление изолирует шум при форсировании обратного тока вокруг длинного пути. Это увеличивает площадь цикла и может создавать именно ту проблему, которую должен был решить разделение EMI.

Маршрутизация высокого тока через чувствительную землю

Если двигатель или регулятор коммутации разделяют узкий обратный путь с АЦП или датчиком, результирующее падение напряжения становится частью измеряемого сигнала. Используйте место размещения и геометрию меди, чтобы контролировать, где течет ток.

Маргаритная цепочка несвязанных возвратов земли

Соединение нескольких последовательно нагрузок по одной тонкой трассе позволяет току одной нагрузки модулировать ссылку на другую. Плоскость, звездное соединение или тщательно секционированная сеть возврата могут быть более подходящими, в зависимости от частоты и тока.

Считаем, что наземная медь идеальна

Каждая плоскость, трассировка, VIA, разъем и кабель имеют импеданс. При высоких скоростях краев несколько наногенри могут иметь значение. Просмотрите узкие шейки плоскости, через поля, назначения контактов разъема и возвратные переходы, а не только непрерывность постоянного тока.

Игнорирование заземления тестового оборудования

Зажим для многих стендов соединен с защитной землей. Присоединение его к живому узлу, не имеющему ссылку, может замкнуть этот узел к земле, повредить оборудование или создать опасность удара. При необходимости используйте дифференциальный зонд с правильно номинальной дифференциальностью или изолированный метод измерения.

Как идентифицировать и протестировать GND на печатной плате

Никогда не полагайтесь только на цвет трассировки, положение разъема или символ, похожий на землю. Используйте схему, данные печатной платы, спецификации компонентов и безопасные измерения.

с выключенным питанием

1. Осмотрите схему на Гнд, 0В, АГНД, ДГНД, ПГНД, Шасси, и PE нетто
2. Используйте режим непрерывности или сопротивления для проверки предполагаемых соединений.
3. Помните, что конденсаторы, полупроводники, фильтры или компоненты изоляции могут препятствовать простому результату непрерывности.
4. Убедитесь, что отдельные домены заземления не случайно замыкаются при монтаже отверстий, экранов, тестовых приспособлений или соединителей.

с включенным питанием

1. Выберите правильную ссылку для тестируемого домена.
2. Убедитесь, что входное и заземляющее подключение прибора безопасны для ожидаемого напряжения в общем режиме.
3. Measure DC drop between ground points under realistic load.
4. Используйте осциллограф с коротким пружиной, дифференциальным зондом или подходящим методом зондирования для изучения высокочастотного шума заземления.
5. Проверка во время переключения, связи, запуска двигателя и других наихудших условий эксплуатации.

Одна только непрерывность не может доказать, что наземная система имеет достаточно низкий импеданс на важных частотах.

Контрольный список заземления перед изготовлением печатных плат

Используйте этот краткий обзор, прежде чем публиковать файлы Gerber и Drill:

• Все ли наземные домены именованы и связаны намеренно?
• Является ли эталонная плоскость непрерывной под быстрыми или чувствительными сигналами?
• Любые следы пересекают плоскость, щель или большую пустоту?
• Являются ли высокотоковые и коммутационные петли возврата компактными?
• Защищены ли чувствительные аналоговые возвраты от зашумленных текущих путей?
• Соответствуют ли соединения AGND и DGND таблице компонентов?
• Развязывание конденсаторов близко к правильным контактам с короткими соединениями?
• Предусмотрены ли пути возврата слоя-перехода, где это необходимо?
• Достаточно ли наземных переходов на соединителях, щитах и границах медной заливки?
• Наземные следы, плоскости и VIA имеют размеры для повышения тока и температуры?
• Четко ли определены ли шасси, щит и защитные соединения?
• Были ли пересмотрены расстояния изоляции и требования безопасности?
• Доступны ли тестовые точки для важных домен наземных и направляющих?

Для изготовления предоставьте окончательный стек, медный вес, требования к контролируемому сопротивлению, текущие ожидания и любые примечания по безопасности или изоляции. Производственные данные могут воспроизводить разработанную вами медь, но она не может исправить неопределенную архитектуру заземления без инженерного ввода.

Часто задаваемые вопросы о GND

Какова полная форма GND?

GND означает «земля». В электронике он обычно идентифицирует опорный узел схемы и общую сеть возврата тока.

GND такой же, как 0 В?

GND обычно присваивается номинальное значение 0 В для анализа и измерения схемы. Реальные заземляющие проводники имеют импеданс, поэтому разные точки сети GND могут развивать небольшие перепады напряжения при нагрузке или при быстрых переходных процессах.

Является ли GND таким же, как отрицательный терминал?

Иногда, но не всегда. Во многих односеть цепях отрицательный источник питания обозначен как GND. Разделяемая подача может использовать свою середину в качестве GND, а система с положительной заземлением может подключать GND к положительной клемме.

Протекает ли ток через GND?

Да, заземление цепи обычно несет обратный ток. Защитная земля отличается: в нормальных условиях она не должна нести ток обычной нагрузки, хотя может существовать небольшой ток утечки.

Может ли схема работать без заземления?

да. С питанием от батареи и изолированные схемы часто работают с плавающим локальным GND. Они по-прежнему требуют замкнутого тока контура и заданное внутреннее напряжение.

Почему IC имеют несколько контактов GND?

Несколько контактов могут снижать сопротивление соединения и индуктивность, обрабатывать ток, улучшать тепловые характеристики или разделять чувствительные внутренние функции. Каждый требуемый заземляющий штифт должен быть подключен в соответствии с техническим паспортом производителя и рекомендованной компоновкой.

Следует ли разделять аналоговые и цифровые основания?

не автоматически. Размещение компонентов и контролируемые пути тока обычно более важны, чем произвольные плоские разделения. Многие микросхемы смешанных сигналов лучше всего работают с общей плоскостью низкоимпедансной низкоимпедансной системы, в то время как некоторые приложения требуют специального разделения или одноточечного соединения. Следуйте таблице данных и анализируйте ток возврата.

Что такое GND на Arduino и других платах разработки?

Это общее опорное напряжение платы 0 В и соединение с возвратом мощности, обычно привязанное к отрицательной стороне питания постоянного тока платы. При подключении внешних модулей их заземления часто необходимо подключить, если интерфейс преднамеренно не изолирован или полностью не дифференциальный.

В чем разница между VCC и GND?

VCC — это шинопровод питания, а GND — эталонный и обратный узел. В схеме 5 В VCC может составлять 5 В относительно GND. Названия описывают разные роли; Ток должен проходить как через питающие, так и на обратные части петли.

Что вызывает петлю заземления?

Контур заземления образуется, когда две точки соединены более чем одной проводящей трактом, что позволяет циркулировать нежелательный ток. В результате падение напряжения может привести к гулу, погрешности измерения или EMI. Решения могут включать контролируемую связь, дифференциальную передачу сигналов, изоляцию или изменения в соединениях кабеля и экрана.

Заключение

GND — это больше, чем символ в нижней части схемы. Это ссылка, которая придает значение напряжения цепи и часто сеть, которая несет ток обратно к источнику. Он может быть подключен к земле, шасси, отрицательному источнику питания или другой ссылке, но ни одно из этих отношений не следует предполагать без проверки конструкции.

Для надежной работы печатной платы сосредоточьтесь на физическом пути возврата: сохраняйте компактные контуры, сохраняйте непрерывные опорные плоскости, отдельные шумные и чувствительные пути тока посредством размещения, подключите компоненты развязки с низкой индуктивностью и соблюдайте указанные устройства для заземления со смешанным сигналом.

Если вы готовите плату для производства, отправьте печатную плату LeadHui ваши файлы Gerber, данные сверла, стек, требования к меди и соответствующие электрические примечания для обзора технологического оборудования и цитирования печатных плат.

Технические ссылки

1. национальные инструменты, Шасси, заземление и заземление сигналов: терминология и символы
2. техасские инструменты, Заземление в системах смешанных сигналов демистифицировано, часть 1
3. техасские инструменты, Заземление в системах смешанных сигналов демистифицировано, часть 2
4. аналоговые устройства, MT-031: Заземление преобразователей данных и разгадка тайны AGND и DGND
5. аналоговые устройства, МТ-101: Методы развязки