GND trong mạch là gì?

Trong khám phá các mạch điện tử, hãy hiểu khái niệm GND (mặt đất) và nhiều vai trò của nó trong thiết kế mạch.GND, là một yếu tố cơ bản trong các mạch điện tử, không chỉ cung cấp điểm tiềm năng tham chiếu của mạch mà còn đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất, tính ổn định và an toàn của mạch.Từ việc bảo vệ an toàn cơ bản của các thiết bị gia dụng cho đến các ứng dụng tiên tiến trong các thiết bị điện tử phức tạp, vai trò và việc thực hiện GND được trình bày trong nhiều khía cạnh và sự phức tạp của chúng.Bài viết này nhằm mục đích cung cấp một cuộc thảo luận chuyên sâu về các loại GND khác nhau, cách chúng hoạt động và tầm quan trọng của chúng trong thiết kế mạch để cung cấp một viễn cảnh toàn diện về việc hiểu thành phần mạch quan trọng này.

GND (mặt đất) là gì?

GND là chữ viết tắt cho mặt đất.GND là viết tắt của mặt đất hoặc 0 dây.

Mặt đất cũng có thể đề cập đến trái đất, đây không phải là một mặt bằng thực sự mà là một mặt bằng giả định cho mục đích ứng dụng.Kết nối thiết bị điện với mặt đất để ngăn người dùng tiếp xúc với điện áp cao.

Khác nhau 'căn cứ' trong mạch

Grounding là một tính năng an toàn cốt lõi của các hệ thống điện.Mục đích chính của nó là đảm bảo hoạt động an toàn của thiết bị điện, đặc biệt là những người có thân kim loại, chẳng hạn như tủ lạnh gia dụng, máy giặt hoặc lò nướng.Theo thiết kế, cơ thể của các thiết bị này không nên sống.Tuy nhiên, trong sử dụng thực tế, thân máy bay có thể vô tình bị tính phí do các lỗi bên trong như lão hóa hoặc thiệt hại cho vật liệu cách điện.Nếu thiết bị không được nối đất, cơ thể trực tiếp sẽ trực tiếp gây nguy cơ bị sốc điện khi chạm vào thiết bị.Để ngăn chặn điều này, việc kết nối thân thiết bị với mặt đất thông qua một dây dẫn mặt đất chuyên dụng đảm bảo rằng mọi dòng điện bị đánh giá sai đều được hướng an toàn xuống đất thay vì qua cơ thể con người chạm vào thiết bị.Thành phần của nền tảng của thiết bị điện được thể hiện trong hình dưới đây.

Thành phần của thiết bị điện nối đất

Ở cấp độ kỹ thuật, căn cứ thường dựa vào kết nối vật lý với dây mặt đất hoặc thanh đất.Một đầu của các dây mặt đất này được kết nối với một phần kim loại của thiết bị và đầu kia được kết nối với hệ thống nối đất của tòa nhà hoặc được chôn trực tiếp dưới lòng đất.Phương pháp kết nối này tạo ra một đường dẫn an toàn một cách hiệu quả để trong trường hợp có lỗi bên trong, bất kỳ dòng điện bị rò rỉ nào cũng được hướng đến mặt đất một cách hiệu quả, do đó tránh được nguy cơ bị sốc điện.

Trong một số môi trường có nguy cơ cao, ngoài vai trò an toàn cơ bản, việc nối đất cũng có thể được sử dụng cùng với các thiết bị an toàn khác, chẳng hạn như các thiết bị hiện tại rò rỉ (RCD).Chức năng của các thiết bị này là theo dõi xem dòng điện chảy vào và ra khỏi thiết bị có được cân bằng hay không.Nếu sự mất cân bằng được phát hiện (chỉ ra rằng dòng điện có thể chảy qua các đường dẫn bất thường khác, chẳng hạn như cơ thể con người), thiết bị sẽ ngay lập tức cắt nguồn điện để ngăn chặn điện giật.

Trong các thiết bị điện đặc biệt, căn cứ đóng vai trò đa dạng hơn, chẳng hạn như trong thiết bị y tế hoặc thiết bị phòng thí nghiệm chính xác cao, nơi nó được sử dụng không chỉ để bảo vệ nhân sự mà còn để đảm bảo hoạt động chính xác của thiết bị và để ngăn chặn sự can thiệp điện từ.Trong những trường hợp như vậy, việc thiết kế và thực hiện nối đất cần phải chính xác và phức tạp hơn để đáp ứng các yêu cầu an toàn và chức năng cụ thể.

GND đóng một vai trò rất quan trọng trong thiết kế mạch điện tử.Vai trò của nó có thể được phân tích theo chiều sâu từ các kích thước kỹ thuật sau:

Một là cung cấp một tiềm năng tham khảo.GND thường cung cấp điểm tiềm năng tham chiếu chung trong một mạch.Tất cả các điện áp trong một mạch được đo so với GND, điều đó có nghĩa là điểm GND được định nghĩa là điểm điện áp bằng không.Một điểm tiềm năng tham chiếu phổ biến đảm bảo mức điện áp chính xác giữa các thành phần mạch và truyền tín hiệu chính xác.

Thứ hai là sự hình thành các đường dẫn vòng hiện tại.Trong bất kỳ mạch nào, dòng điện phải có đường dẫn vòng hoàn chỉnh để thực hiện hoạt động đúng.GND cung cấp đường dẫn cho dòng điện chảy từ nguồn điện đến phần tải của mạch (ví dụ: bóng bán dẫn, điện trở, v.v.) và sau đó quay trở lại nguồn điện thông qua GND, tạo thành một đường vòng lặp hoàn chỉnh.

Thứ ba là che chắn nhiễu điện từ (EMI).Vai trò quan trọng nhất của GND trong thiết kế mạch là giảm nhiễu bên ngoài, đặc biệt là EMI.Bằng cách nối đất phần nhạy cảm của mạch, các tín hiệu can thiệp có thể được đưa ra một cách hiệu quả xuống đất, do đó bảo vệ mạch khỏi EMI.

Thứ tư là để cải thiện hiệu suất và sự ổn định của mạch.Một thiết kế nền tảng tốt có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và tính ổn định tổng thể của mạch.Sử dụng chiến lược nối đất STAR Ground hoặc Đa điểm có thể giảm thiểu sự khác biệt tiềm năng gây ra bởi dây nối đất, do đó làm giảm nhiễu và biến dạng trong đường dẫn tín hiệu.Ví dụ, trong các mạch kỹ thuật số tốc độ cao, các phương pháp nối đất chính xác có thể làm giảm phản xạ tín hiệu và nhiễu xuyên âm, do đó cải thiện tính toàn vẹn tín hiệu.

Thứ năm là cơ chế bảo vệ an ninh.Trong trường hợp có tình trạng lỗi, chẳng hạn như một đường ngắn hoặc thiết bị bị hư hỏng, GND cung cấp một đường dẫn an toàn để dòng điện xả.Điều này giúp nhanh chóng shunt dòng điện dư thừa, ngăn chặn hỏa lực điện hoặc thiệt hại thiết bị.Ngoài ra, căn cứ giúp đảm bảo an toàn cho người vận hành và ngăn ngừa nguy cơ bị sốc điện do lỗi thiết bị.

Thông qua phân tích trên, chúng ta có thể thấy rằng GND không chỉ là một yếu tố cơ bản trong thiết kế mạch điện tử mà còn là chìa khóa để duy trì hiệu suất mạch, độ ổn định và an toàn.Trong quá trình thiết kế, các loại mạch khác nhau có các yêu cầu khác nhau đối với GND.Do đó, các kỹ sư phải xem xét cẩn thận chiến lược nối đất để đảm bảo tối ưu hóa và an toàn của thiết kế mạch.Cho dù trong thiết kế mạch đơn giản hoặc tích hợp hệ thống phức tạp, một chiến lược nối đất hợp lý là cơ sở để đạt được các sản phẩm điện tử hiệu quả, đáng tin cậy và an toàn.

4.1 Agnd mặt đất tương tự

Agnd mặt đất tương tự chủ yếu được sử dụng trong các mạch tương tự, đặc biệt là trong các ứng dụng liên quan đến các tín hiệu tương tự yếu, chẳng hạn như mạch thu thập ADC và mạch khuếch đại vận hành.Trong các mạch như vậy, do độ nhạy và điểm yếu của tín hiệu tương tự, chúng cực kỳ dễ bị nhiễu dòng điện lớn từ các mạch khác.Nếu không có AGND chuyên dụng, các dòng điện lớn này có thể tạo ra các giọt điện áp đáng kể trong các mạch tương tự, gây ra biến dạng tín hiệu và thậm chí lỗi mạch trong các trường hợp nghiêm trọng.Do đó, sự hiện diện của AGND rất có ý nghĩa để duy trì tính toàn vẹn và độ chính xác của các tín hiệu tương tự.

4.2 DGND mặt đất kỹ thuật số

DGND mặt đất kỹ thuật số khác với AGND mặt đất tương tự, đặc biệt là trong các ứng dụng trong các mạch kỹ thuật số, chẳng hạn như mạch phát hiện chính, mạch truyền thông USB và mạch vi điều khiển.Một đặc điểm cốt lõi của các mạch kỹ thuật số là các tín hiệu mà chúng xử lý là riêng biệt, có nghĩa là tín hiệu thay đổi giữa chỉ hai trạng thái, thường được xác định là "0" kỹ thuật số "1. 1."Như hình dưới đây.

Xử lý mạch kỹ thuật số

Các trạng thái này tương ứng với các mức điện áp khác nhau, thường là "0" đại diện cho mức thấp và "1" đại diện cho mức cao.Thay đổi nhanh chóng về điện áp xảy ra khi mạch kỹ thuật số chuyển từ trạng thái "0" sang trạng thái "1" hoặc ngược lại.Những thay đổi này không chỉ liên quan đến chính điện áp mà còn cả những thay đổi đi kèm trong dòng điện.Theo lý thuyết điện từ của Maxwell, những thay đổi trong dòng điện này tạo ra từ trường thay đổi xung quanh nó, từ đó tạo ra nhiễu điện từ (EMI), có thể gây nhiễu cho các thành phần khác trong mạch hoặc các mạch liền kề.Để giảm tác động của nhiễu điện từ này đến hiệu suất tổng thể của mạch, các nhà thiết kế thường sử dụng DGND mặt đất kỹ thuật số độc lập.So với mặt đất tương tự (AGND), DGND được thiết kế đặc biệt cho các mạch kỹ thuật số để cung cấp một điểm tham chiếu ổn định và phân lập hiệu quả nhiễu điện từ được tạo ra bởi các tín hiệu kỹ thuật số.Điều này giúp giảm mức độ tiếng ồn tổng thể của mạch, do đó cải thiện tính toàn vẹn tín hiệu và độ tin cậy của mạch.

Trong các hệ thống mạch phức tạp, đặc biệt là các hệ thống chứa cả các bộ phận tương tự và kỹ thuật số, điều quan trọng là phải phân biệt giữa DGND và AGND.Vì các tín hiệu tương tự nhạy cảm hơn với nhiễu, việc tách DGND và AGND có thể đảm bảo rằng phần tương tự không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ gây ra bởi chuyển đổi tín hiệu số.Trong quá trình thiết kế và bố trí của Bảng mạch (PCB), việc đặt DGNDS cần được xem xét cẩn thận để tránh hình thành các vòng, có thể gây nhiễu vòng lặp hiện tại.DGND được đặt đúng giúp tối ưu hóa tính toàn vẹn tín hiệu và giảm nhiễu bức xạ và tiến hành.

4.3 PGND PGND

Trong cuộc sống của chúng tôi, các mạch sẽ được chia thành các mạch năng lượng thấp và các mạch năng lượng cao.Các AGND mặt đất tương tự hoặc DGND mặt đất kỹ thuật số được đề cập ở trên là các mạch năng lượng thấp.Đối với các mạch công suất cao này như mạch truyền động động cơ, mạch truyền động van điện từ, v.v., cũng có một mặt đất tham chiếu đặc biệt gọi là PGND Power Ground.Trong các mạch công suất cao, độ lớn và biến đổi của dòng điện có tác động rõ rệt hơn đối với hệ thống nối đất so với các mạch năng lượng thấp.Do đó, so với AGND mặt đất tương tự công suất thấp hoặc DGND mặt đất kỹ thuật số, PGND mặt đất có thể được cho là được thiết kế đặc biệt để xử lý các dòng điện cao này và đảm bảo độ ổn định của mạch.

Trong các mạch năng lượng cao này, sự gia tăng đáng kể về dòng điện có thể dễ dàng dẫn đến độ lệch mặt đất giữa các mạch chức năng khác nhau.Sự thay đổi này xảy ra khi điểm tham chiếu mặt đất (GND) trải qua sự sụt giảm điện áp do lối đi hiện tại cao.Ví dụ, giả sử một mạch được thiết kế yêu cầu điện áp ổn định là 5V, nhưng do độ lệch trong lòng đất.Trong trường hợp đó, điểm tham chiếu GND có thể tăng từ 0V lên 1V, điều này sẽ khiến điện áp thực tế giảm xuống còn 4V (5V-1V = 4V), do đó ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy tổng thể của mạch.Do đó, khi thiết kế các mạch công suất cao, cần phải chú ý đặc biệt đến bố cục và thực hiện PGND.Thiết kế PGND thích hợp có thể giảm thiểu ảnh hưởng của bù đất và đảm bảo tính ổn định của nguồn điện.Hãy thử sử dụng dây dày hơn, các lớp nối đất chuyên dụng hoặc thiết kế nhiều điểm nối đất để trải ra dòng điện, do đó làm giảm điện áp giảm tại một điểm.

Ngoài ra, PGND cũng giúp giảm nhiễu điện từ (EMI) do dòng điện cao.Bằng cách cung cấp một tham chiếu mặt đất ổn định, PGND giúp giảm nhiễu và nhiễu trong các mạch, đặc biệt là trong các ứng dụng trong đó khả năng tương thích điện từ (EMC) là một sự xem xét đặc biệt.

4.4 GND mặt đất Power

Agnd mặt đất tương tự, DGND mặt đất kỹ thuật số, và PGND PGND đều thuộc loại DC Ground GND.Những loại căn cứ khác nhau này cuối cùng kết hợp với nhau để tạo thành mặt đất tham chiếu 0V cho toàn bộ mạch, đó là GND mặt đất.Điện áp và dòng điện của tất cả các mạch bắt nguồn từ nguồn điện.Do đó, GND của nguồn điện trở thành nền tảng và điểm khởi đầu của tất cả các mạch.Điều này giải thích tại sao các loại căn cứ khác nhau cuối cùng cần được kết hợp với GND mặt đất để đảm bảo tính nhất quán và tính ổn định tổng thể của mạch.

4.5 Nơi trao đổi CGND

AC Ground CGND thường xuất hiện trong các dự án mạch có chứa các nguồn năng lượng AC, chẳng hạn như AC-DC trong hình dưới đây.Trong các mạch này, vì phần trước của mạch là phần AC và phần phía sau được chuyển đổi thành DC, hai điểm mặt đất khác nhau chắc chắn được hình thành: một cho phần AC và phần còn lại cho phần DC.Để đảm bảo tính nhất quán của mạch, các kỹ sư thường kết nối hai điểm mặt đất thông qua tụ điện hoặc cuộn cảm để thống nhất mặt đất AC và mặt đất DC.

DC và AC

4.6 EGND mặt đất

Điện áp an toàn cơ thể con người thường được coi là điện áp thấp hơn 36V.Khi điện áp vượt quá ngưỡng này, nó có thể gây hại nếu áp dụng cho cơ thể con người.Do đó, khi thiết kế các mạch điện áp cao và dòng điện cao, các kỹ sư thường thực hiện EGND để tăng cường an toàn.Điều này là phổ biến trong các mạch của các thiết bị gia dụng như quạt, tủ lạnh và tivi.Một ổ cắm với bảo vệ EGND mặt đất được hiển thị trong hình dưới đây.

Ổ cắm với bảo vệ EGND mặt đất

220V AC chỉ yêu cầu dây trực tiếp và trung tính.Tại sao ổ cắm thiết bị gia dụng có 3 thiết bị đầu cuối?

Thông thường, nguồn điện AC 220V chỉ cần hai dây: dây nóng (dây nóng) và dây trung tính (dây trung tính).Ổ cắm cho các thiết bị gia dụng thường bao gồm một thiết bị đầu cuối thứ ba, EGRATION DÂY ENGD.Việc bổ sung thiết bị đầu cuối thứ ba này, mặc dù nó không tham gia vào chức năng chính của mạch, cung cấp bảo vệ an toàn quan trọng.Khi một lỗi xảy ra bên trong thiết bị điện, chẳng hạn như thiệt hại cách nhiệt khiến cơ thể bị điện khí hóa, nó cung cấp một đường thoát an toàn cho dòng điện.Bằng cách này, bất kỳ dòng điện bị đánh giá sai nào đều được hướng xuống đất thay vì thông qua cơ thể con người chạm vào thiết bị, làm giảm đáng kể nguy cơ bị sốc điện.Do đó, có một sự khác biệt rõ ràng về ý nghĩa mạch giữa EGND và các loại dây nối đất khác GND.EGND không liên quan trực tiếp đến chức năng chính của mạch.Được thiết kế đặc biệt để tăng cường an toàn, nó kết nối với trái đất để cung cấp một điểm tham chiếu mặt đất ổn định và dẫn điện trong điều kiện bất thường để bảo vệ thiết bị và người dùng khỏi điện áp cao.

Việc áp dụng EGND trong thiết kế mạch không giới hạn ở các thiết bị gia đình.EGND là một biện pháp an toàn cần thiết trong bất kỳ thiết kế mạch nào liên quan đến điện áp hoặc dòng điện cao.Nó giúp đảm bảo rằng an toàn hoạt động được duy trì ngay cả trong trường hợp lỗi thiết bị hoặc các trường hợp bất thường khác.

Trong thiết kế mạch điện tử, khái niệm GND dây mặt đất có vẻ đơn giản, nhưng nó chứa nhiều chức năng và phân loại khác nhau, điều này khiến cho một vấn đề mạch dường như đơn giản khá phức tạp.Vì vậy, tại sao có rất nhiều phân khu của các chức năng nối đất GND?Nói chung, khi các kỹ sư thiết kế các mạch, họ thường đặt tên cho tất cả các dây mặt đất GND chỉ đơn giản là GND và không phân biệt chúng trong thiết kế sơ đồ.Mặc dù phương pháp này rất đơn giản trong hoạt động, nhưng nó sẽ gây ra một loạt các vấn đề, đặc biệt là trong giai đoạn nối dây PCB, nơi rất khó xác định và xử lý hiệu quả các dây mặt đất của các chức năng mạch khác nhau.

Liên quan đến vấn đề nhiễu xuyên âm tín hiệu, khi GND của các hàm khác nhau được kết nối trực tiếp, đặc biệt là khi GND của mạch điện có năng lượng cao được trộn với GND của mạch năng lượng thấp, nó có thể có tác động đến điểm tham chiếu 0V của điểm tham chiếu 0V củaMạch năng lượng thấp.Một phương pháp nối dây như vậy có thể dễ dàng gây ra nhiễu xuyên âm tín hiệu giữa các mạch khác nhau, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch.Ví dụ, trong một hệ thống chứa các mạch kỹ thuật số tốc độ cao và các mạch tương tự chính xác, nếu cùng một GND được chia sẻ, các hoạt động chuyển đổi tần số cao trong các mạch kỹ thuật số có thể gây ra biến động điện áp đáng kể trên đường dẫn GND được chia sẻ.Những biến động này lan truyền qua đường dẫn GND, ảnh hưởng đến hiệu suất của các mạch tương tự.Do đó, thật lý tưởng khi sử dụng các mặt phẳng hoặc dấu vết GND riêng biệt để giảm nhiễu lẫn nhau này.

Khi thiết kế các hệ thống mạch phức tạp hơn, việc quản lý GND trở nên phức tạp hơn.Ví dụ, trong một dự án hệ thống mạch bao gồm cả hệ thống con tương tự và kỹ thuật số, khi AGND của mạch tương tự được kết nối với CGND của nguồn điện AC, tính ổn định của AGND có thể bị ảnh hưởng bởi những thay đổi định kỳ trong CGND.Điện áp tại CGND của nguồn điện AC dao động định kỳ, trong khi GND mặt đất DC thường không đổi ở 0V.Biến động này có thể lan truyền đến mạch tương tự, gây ra sự sai lệch trong điện áp tham chiếu.Để tránh điều này, một cách tiếp cận phổ biến là sử dụng các kỹ thuật cách ly hoặc sử dụng một mặt phẳng AGND riêng biệt để đảm bảo độ chính xác và độ chính xác của tín hiệu.

Khả năng tương thích điện từ (EMC) là một cân nhắc quan trọng trong thiết kế mạch và bố cục của GND cũng có tác động đáng kể đến EMC.Khi các GND của các mạch khác nhau được kết nối, mạch có tín hiệu mạnh hơn có thể trực tiếp can thiệp vào mạch với tín hiệu yếu hơn.Sự can thiệp này có thể khiến mạch có tín hiệu yếu hơn trở thành nguồn bức xạ điện từ từ một nguồn bên ngoài mạnh hơn, khiến EMC xử lý mạch trở nên khó khăn hơn.Nếu bạn lo ngại về loại vấn đề này, hãy xem xét các kỹ thuật như lọc, che chắn và sắp xếp GND chuyên dụng trong quá trình thiết kế để giảm thiểu sự xuất hiện của các tình huống can thiệp đó.

Bộ lọc EMC

Cuối cùng, ít kết nối tín hiệu giữa các hệ thống mạch, khả năng hoạt động độc lập của chúng càng lớn.Ngược lại, các kết nối tín hiệu càng có nhiều, khả năng của mỗi hệ thống mạch hoạt động độc lập càng yếu.Nếu các dây nối đất của các mạch với các chức năng khác nhau được kết nối, thì tương đương với việc thêm một liên kết nhiễu tiềm năng giữa các mạch, có thể làm giảm độ tin cậy tổng thể của mạch.Ví dụ: nếu không có giao điểm giữa hai hệ thống mạch A và B, chức năng của hệ thống A sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của hệ thống B và ngược lại.Nhưng nếu dây nối đất của các hệ thống này được trộn lẫn, sự can thiệp không cần thiết có thể được đưa ra, ảnh hưởng đến sự ổn định và độ tin cậy của mạch.

Nhìn chung, vai trò của GND trong thiết kế mạch điện tử vượt xa một điểm nối đất đơn giản.Từ việc đảm bảo an toàn điện cơ bản đến đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định của các mạch, tầm quan trọng của GND không thể bị bỏ qua.Đó là nhiều phân loại và các nguyên tắc làm việc phức tạp đòi hỏi các kỹ sư phải áp dụng các chiến lược tinh vi và chu đáo khi thiết kế và thực hiện các mạch.Cho dù trong các thiết bị điện thông thường trong cuộc sống hàng ngày hoặc các sản phẩm công nghệ cao cấp, một chiến lược nối đất hợp lý là cơ sở để đạt được các sản phẩm điện tử hiệu quả, đáng tin cậy và an toàn.Do đó, đối với bất kỳ dự án nào liên quan đến các mạch điện tử, sự hiểu biết thấu đáo về các đặc điểm và ứng dụng của GND là chìa khóa để thiết kế thành công.