在电子电路领域,地线是一个至关重要的概念。对于工程师而言,在PCBLayout布线过程中,常常会遇到各种不同的GND(地)处理问题。接下来,我们将全面深入地探讨地线的作用以及其标志符号。
地线在电路中主要发挥着关键作用,当电器出现故障时,电源可能会击穿或破坏某些元件,从而导致电器外壳带电。此时,将电器的外壳接地,就能够配合漏电保护装置发挥作用,保障人员和设备的安全。
地线根据其在电路中的不同作用和性质,可以分为以下多种类型:
工作地
信号地(SG)
:信号“地”又称参考“地”,是零电位的参考点,也是构成电路信号回路的公共段。这里的信号一般指模拟信号或者能量较弱的数字信号。这些信号非常容易受到电源波动或者外界因素的干扰,进而导致信号的信噪比(SNR)下降。特别是模拟信号,信号地的漂移会使信噪比降低,甚至可能使信号的测量值出现误差或错误,最终导致系统设计失败。因此,对信号地的要求极高,在系统中需要进行特殊处理,避免与大功率的电源地、数字地以及易产生干扰的地线直接连接。在微小信号的测量中,信号地通常需要采用隔离技术。
(图注:信号地线符号标志)
模拟地线(AGDN)
:模拟地线主要应用于模拟电路部分,例如模拟传感器的ADC采集电路、运算放大比例电路、采样保持器、比较器的零电位参考点等。在这些模拟电路中,由于信号是微弱的模拟信号,极易受到其他电路大电流的影响。如果不加以区分,大电流会在模拟电路中产生较大的压降,导致模拟信号失真,严重时可能使模拟电路功能失效。
(图注:模拟地线符号标志)
(图注:PCB板上模拟地)
数字地线(DGND)
:数字地线也叫逻辑地,是数字电路的零点位参考点。与模拟地线相对,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。数字电路具有离散型的开光量信号特点,只有数字“0”和数字“1”之分。在数字信号电压跳变的过程中,会产生电压变化,根据麦克斯韦电磁理论,变化的电流周围会产生磁场,从而形成对其他电路的EMC(电磁兼容性)辐射。为了降低这种辐射影响,必须使用单独的数字地线,以实现与其他电路的有效隔离。
(图注:数字地线符号标志)
(图注:数字信号)
功率地线(PGND):模拟地线和数字地线都属于小功率电路。而在大功率电路中,如电机驱动电路、电磁阀驱动电路等,存在一个单独的参考地线,即功率地线,它是大电流网络器件、功放器件的零点位参考点。由于大功率电路中的电流较大,容易导致不同功能电路之间出现地偏移现象。
电源地线(GND):模拟地线、数字地线以及功率地线都被归类为直流地线。这些不同种类的地线最终都要汇集在一起,形成整个电路的0V参考地线,也就是电源地线。电源是所有电路的能量来源,所有电路工作所需的电压和电流均来自电源,因此电源的地线是所有电路的0V电压参考点。
交流地线(CGND):交流地线一般存在于含有交流电源的电路项目中,如AC-DC交流转直流电源电路。这种电路分为AC交流部分和DC直流部分,从而形成了交流地线和直流地线。交流地线作为交流电路部分的0V参考点,直流地线作为直流电路部分的0V参考点。为了在电路中统一一个地线GND,工程师通常会将交流地线通过一个耦合电容或者电感与直流地线连接在一起。
大地地线(EGND)
:人体的安全电压在36V以下,超过这个电压施加在人体身上会造成损伤。为了增强电路的安全系数,在高压大电流的项目中,如家用电器(电风扇、电冰箱、电视机等)电路中,会使用大地的地线。家用电器的插座通常有3个接线端子,其中两个用于220V的火线和零线,另外一个就是起保护作用的大地地线。需要注意的是,大地地线仅仅是连接到地球,起到高压保护作用,不参与项目电路功能,与其他类型的地线在电路含义上有明显区别。
(图注:大地地线符号标志)
悬浮地(FG):悬浮地是系统中部分电路的地与整个系统的地不直接连接,而是通过变压器耦合或者直接不连接,处于悬浮状态。这部分电路的电平是相对于自己“地”的电位,常用于小信号的提取系统或者强电和弱电混合系统中。其优点是该电路不受系统中电气和干扰的影响,但缺点也很明显,它容易受到寄生电容的影响,导致地电位变动并增加对模拟电路的感应干扰。此外,由于该电路的地与系统地没有连接,容易产生静电积累,从而引发静电放电,可能造成静电击穿或强烈的干扰。悬浮地的效果不仅取决于悬浮地绝缘电阻的大小,还取决于悬浮地寄生电容的大小和信号的频率。
热地:开关电源无需使用变压器,其开关电路的“地”与市电电网相关,被称为“热地”,它是带电的。
冷地:由于开关电源的高频变压器将输入、输出端隔离,且其反馈电路常用光电耦合,既能传送反馈信号又能将双方的“地”隔离,所以输出端的地称之为“冷地”,它不带电。
保护“地”
保护“地”是为了保护人员安全而设置的一种接线方式。保护“地”线一端接用电器,另一端与大地作可靠连接。
(图注:保护地线符号标志)
音响中的“地”
屏蔽线接地:在音响系统中,为了防止干扰,其金属机壳通常用导线与信号“地”相接,这就是屏蔽接地。
音频专用“地”:专业音响为了更好地防止干扰,除了进行屏蔽“地”之外,还需要与音频专用“地”相连。此接地装置应专门埋设,并且应与隔离变压器、屏蔽式稳压电源的相应接地端相连,作为音控室中的专用音频接地点。
通过对以上各种地线类型及其作用、标志符号的详细了解,工程师们能够在电路设计和布线过程中,更加合理地处理地线问题,从而提高电路的性能、稳定性和安全性,减少干扰和故障的发生。