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電源地、信號地、大地 —— 這三種“地”有什么區別?

日期:2022-08-15 12:01
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摘要:電源地與信號地 電源地主要是針對電源回路電流所走的路徑而言的,電源地流過的電流較大。而信號地主要是針對兩塊芯片或者模塊之間的通信信號的回流所流過的路徑,信號地流過的電流很小。 其實兩者都是GND,之所以分開來說,是想讓大家明白:在布PCB板時,要清楚地了解電源及信號回流各自所流過的路徑,然后在布板時考慮如何避免電源及信號共用回流路徑。 如果共用的話,有可能會導致電源地上大的電流會在信號地上產生一個電壓差。(可以解釋為:導線是有阻抗的,只是很小的阻值,但如果所流過的電流較大時,也會在此導線上產生電...
電源地與信號地

電源地主要是針對電源回路電流所走的路徑而言的,電源地流過的電流較大。而信號地主要是針對兩塊芯片或者模塊之間的通信信號的回流所流過的路徑,信號地流過的電流很小。
其實兩者都是GND,之所以分開來說,是想讓大家明白:在布PCB板時,要清楚地了解電源及信號回流各自所流過的路徑,然后在布板時考慮如何避免電源及信號共用回流路徑。
如果共用的話,有可能會導致電源地上大的電流會在信號地上產生一個電壓差。(可以解釋為:導線是有阻抗的,只是很小的阻值,但如果所流過的電流較大時,也會在此導線上產生電位差,這也叫共阻抗干擾。)
使信號地的真實電位高于0V,如果信號地的電位較大時,有可能會使信號本來是高電平的,但卻誤判為低電平。
當然電源地本來就很不干凈,這樣做也避免由于干擾使信號誤判。所以將兩者地在布線時稍微注意一下,就可以。一般來說即使在一起也不會產生大的問題,因為數字電路的門限較高。

各種“地”,各種“GND”
GND,指的是電線接地端的簡寫,代表地線或零線。電路圖上和電路板上的GND(Ground)代表地線或零線,GND 就是公共端的意思,也可以說是地,但這個地并不是真正意義上的地。是出于應用而假設的一個地,對于電源來說,它就是一個電源的負極。它與大地是不同的。有時候需要將它與大地連接,有時候也不需要,視具體情況而定。

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設備的信號接地,可能是以設備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點,它為設備中的所有信號提供了一個公共參考電位。

有單點接地,多點接地,浮地和混合接地:
單點接地:是指整個電路系統中只有一個物理點被定義為接地參考點,其他各個需要接地的點都直接接到這一點上。在低頻電路中,布線和元件之間不會產生太大影響。通常頻率小于1MHz的電路,采用一點接地。

多點接地:是指電子設備中各個接地點都直接接到距它*近的接地平面上(即設備的金屬底板)。在高頻電路中,寄生電容和電感的影響較大。通常頻率大于10MHz 的電路,常采用多點接地。

浮地:即該電路的地與大地無導體連接。浮地可使功率地(強電地)和信號地(弱電地)之間的隔離電阻很大,所以能阻止共地阻抗電路性耦合產生的電磁干擾。其缺點是該電路易受寄生電容的影響,而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的感應干擾。一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個阻值很大的泄放電阻,用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗,太低的電阻會影響設備泄漏電流的合格性。

混合接地:混合接地使接地系統在低頻和高頻時呈現不同的特性,這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對低頻和直流有較高的阻抗,因此能夠避免兩模塊之間的地環路形成。當將直流地和射頻地分開時,將每個子系統的直流地通過10~100nF 的電容器接到射頻地上,這兩種地應在一點有低阻抗連接起來,連接點應選在*高翻轉速度(di/dt)信號存在的點。

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“地”是電子技術中一個很重要的概念。由于“地”的分類與作用有多種,容易混淆,故總結一下“地”的概念。“接地”有設備內部的信號接地和設備接大地,兩者概念不同,目的也不同。“地”的經典定義是“作為電路或系統基準的等電位點或平面”。
信號“地”又稱參考“地”,就是零電位的參考點,也是構成電路信號回路的公共端。
直流地:直流電路“地”,零電位參考點。
交流地:交流電的零線,應與地線區別開。
功率地:大電流網絡器件、功放器件的零電位參考點。
模擬地:放大器、采樣保持器、A/D 轉換器和比較器的零電位參考點。
數字地:也叫邏輯地,是數字電路的零電位參考點。
“熱地”:開關電源無需使用工頻變壓器,其開關電路的“地”和市電電網有關,即所謂的“熱地”,它是帶電的。
“冷地”:由于開關電源的高頻變壓器將輸入、輸出端隔離;又由于其反饋電路常用光電耦合器,既能傳送反饋信號,又將雙方的“地”隔離;所以輸出端的地稱之為“冷地”,它不帶電。


設備接大地的目的

在工程實踐中,除認真考慮設備內部的信號接地外,通常還將設備的信號地,機殼與大地連在一起,以大地作為設備的接地參考點。設備接大地的目的是:
保護地,保護接地就是將設備正常運行時不帶電的金屬外殼(或構架)和接地裝置之間作良好的電氣連接。為了保護人員安全而設置的一種接線方式。保護“地”線一端接用電器外殼,另一端與大地作可靠連接。
防靜電接地,泄放機箱上所積累的電荷,避免電荷積累使機箱電位升高,造成電路工作的不穩定。
屏蔽地,避免設備在外界電磁環境的作用下使設備對大地的電位發生變化,造成設備工作的不穩定。此外還有防雷接地和音響中的音頻專用地等等。


接地的相關問題

1.控制系統宜采用一點接地一般情況下,高頻電路應就近多點接地,低頻電路應一點接地。在低頻電路中,布線和元件間的電感并不是什么大問題,然而接地形成的環路的干擾影響很大,因此,常以一點作為接地點。但一點接地不適用于高頻,因為高頻時,地線上具有電感因而增加了地線阻抗,同時各地線之間又產生電感耦合。一般來說,頻率在1MHz 以下,可用一點接地;高于10MHz 時,采用多點接地;在1~10MHz 之間可用一點接地,也可用多點接地。
2.交流地與信號地不能共用由于在一段電源地線的兩點間會有數mV 甚至幾V 電壓,對低電平信號電路來說,這是一個非常重要的干擾,因此必須加以隔離和防止。
3.浮地與接地的比較全機浮空即系統各個部分與大地浮置起來,這種方法簡單,但整個系統與大地絕緣電阻不能小于50MΩ。這種方法具有一定的抗干擾能力,但一旦絕緣下降就會帶來干擾。還有一種方法,就是將機殼接地,其余部分浮空。這種方法抗干擾能力強,安全可靠,但實現起來比較復雜。

4.模擬地模擬地的接法十分重要。為了提高抗共模干擾能力,對于模擬信號可采用屏蔽浮技術。對于具體模擬量信號的接地處理要嚴格按照操作手冊上的要求設計。

5.屏蔽地在控制系統中為了減少信號中電容耦合噪聲、準確檢測和控制,對信號采用屏蔽措施是十分必要的。根據屏蔽目的不同,屏蔽地的接法也不一樣。電場屏蔽解決分布電容問題,一般接大地;電磁場屏蔽主要避免雷達、電臺等高頻電磁場輻射干擾。利用低阻金屬材料高導流而制成,可接大地。磁場屏蔽用以防磁鐵、電機、變壓器、線圈等磁感應,其屏蔽方法是用高導磁材料使磁路閉合,一般接大地為好。當信號電路是一點接地時,低頻電纜的屏蔽層也應一點接地。如果電纜的屏蔽層地點有一個以上時,將產生噪聲電流,形成噪聲干擾源。
當一個電路有一個不接地的信號源與系統中接地的放大器相連時,輸入端的屏蔽應接至放大器的公共端;相反,當接地的信號源與系統中不接地的放大器相連時,放大器的輸入端也應接到信號源的公共端。
對于電氣系統的接地,要按接地的要求和目的分類,不能將不同類接地簡單地、任意地連接在一起,而是要分成若干獨立的接地子系統,每個子系統都有其共同的接地點或接地干線,*后才連接在一起,實行總接地。

相關問題解答:

1.為什么要接地?接地技術的引入*初是為了防止電力或電子等設備遭雷擊而采取的保護性措施,目的是把雷電產生的雷擊電流通過避雷針引入到大地,從而起到保護建筑物的作用。同時,接地也是保護人身安全的一種有效手段,當某種原因引起的相線(如電線絕緣不佳,線路老化等)和設備外殼碰觸時,設備的外殼就會有危險電壓產生,由此生成的故障電流就會流經PE 線到大地,從而起到保護作用。隨著電子通信和其它數字領域的發展,在接地系統中只考慮防雷和安全已遠遠不能滿足要求了。
比如在通信系統中,大量設備之間信號的互連要求各設備都要有一個基準‘地’作為信號的參考地。而且隨著電子設備的復雜化,信號頻率越來越高,因此,在接地設計中,信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關注,否則,接地不當就會嚴重影響系統運行的可靠性和穩定性。*近,高速信號的信號回流技術中也引入了“地”的概念。
2.接地的定義在現代接地概念中、對于線路工程師來說,該術語的含義通常是‘線路電壓的參考點’;對于系統設計師來說,它常常是機柜或機架;對電氣工程師來說,它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要**”低阻抗”和“通路”。
3.常見的接地符號PE、PGND、FG-保護地或機殼;BGND或DC-RETURN-直流-48V(+24V)電源(電池)回流;GND-工作地;DGND-數字地;AGND-模擬地;LGND-防雷保護地;GND 在電路里常被定為電壓參考基點。
從電氣意義上說,GND 分為電源地和信號地。PG 是Power Ground(電源地)的縮寫。另一個是Signal Ground(信號地)。實際上它們可能是連在一起的
兩個名稱,主要是便于對電路進行分析。進一步說,還有因電路形式不同而必須區分的兩種“地”:數字地,模擬地。數字地和模擬地都有信號地、電源地兩種情況。數字地和模擬地之間,某些電路可以直接連接,有些電路要用電抗器連接,有些電路不可連接。
4.合適的接地方式接地有多種方式,有單點接地,多點接地以及混合類型的接地。而單點接地又分為串聯單點接地和并聯單點接地。一般來說,單點接地用于簡單電路,不同功能模塊之間接地區分,以及低頻(f<1MHz)電子線路。當設計高頻(f>10MHz)電路時就要采用多點接地了或者多層板(完整的地平面層)。
5.信號回流和跨分割的介紹對于一個電子信號來說,它需要尋找一條*低阻抗的電流回流到地的途徑,所以如何處理這個信號回流就變得非常的關鍵。
**,根據公式可以知道,輻射強度是和回路面積成正比的,就是說回流需要走的路徑越長,形成的環越大,它對外輻射的干擾也越大,所以,PCB 布板的時候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。
第  二,對于一個高速信號來說,提供有好的信號回流可以保證它的信號質量,這是因為PCB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層(或電源層)為參考來計算的,如果高速線附近有連續的地平面,這樣這條線的阻抗就能保持連續,如果有段線附近沒有了地參考,這樣阻抗就會發生變化,不連續的阻抗從而會影響到信號的完整性。所以,布線的時候要把高速線分配到靠近地平面的層,或者高速線旁邊并行走一兩條地線,起到屏蔽和就近提供回流的功能。

第三,為什么說布線的時候盡量不要跨電源分割,這也是因為信號跨越了不同電源層后,它的回流途徑就會很長了,容易受到干擾。當然,不是嚴格要求不能跨越電源分割,對于低速的信號是可以的,因為產生的干擾相比信號可以不予關心。對于高速信號就要認真檢查,盡量不要跨越,可以通過調整電源部分的走線。(這是針對多層板多個電源供應情況說的)

6.為什么要將模擬地和數字地分開,如何分開?模擬信號和數字信號都要回流到地,因為數字信號變化速度快,從而在數字地上引起的噪聲就會很大,而模擬信號是需要一個干凈的地參考工作的。如果模擬地和數字地混在一起,噪聲就會影響到模擬信號。
一般來說,模擬地和數字地要分開處理,然后通過細的走線連在一起,或者單點接在一起。總的思想是盡量阻隔數字地上的噪聲竄到模擬地上。當然這也不是非常嚴格的要求模擬地和數字地必須分開,如果模擬部分附近的數字地還是很干凈的話可以合在一起。
7.單板上的信號如何接地?對于一般器件來說,就近接地是*好的,采用了擁有完整地平面的多層板設計后,對于一般信號的接地就非常容易了,基本原則是保證走線的連續性,減少過孔數量;靠近地平面或者電源平面,等等。
8.單板的接口器件如何接地?有些單板會有對外的輸入輸出接口,比如串口連接器,網口RJ45 連接器等等,如果對它們的接地設計得不好也會影響到正常工作,例如網口互連有誤碼,丟包等,并且會成為對外的電磁干擾源,把板內的噪聲向外發送。一般來說會單獨分割出一塊獨立的接口地,與信號地的連接采用細的走線連接,可以串上零歐姆或者小阻值的電阻。細的走線可以用來阻隔信號地上噪音過到接口地上來。同樣的,對接口地和接口電源的濾波也要認真考慮。
9.帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號地上,這是因為信號地上有各種的噪聲,如果屏蔽層接到了信號地上,噪聲電壓會驅動共模電流沿屏蔽層向外干擾,所以設計不好的電纜線一般都是電磁干擾的*大噪聲輸出源。當然前提是接口地也要非常的干凈。

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