電源地,信號地,還有大地,這三種地有什么區(qū)別?
電源地主要是針對電源回路電流所走的路徑而言的,一般來說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,一般來說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(dǎo)致電源地上大的電流會在信號地上產(chǎn)生一個電壓差(可以解釋為:導(dǎo)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(dǎo)線上產(chǎn)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(dāng)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(chǎn)生大的問題,因為數(shù)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0線。
電路圖上和電路板上的GND(Ground)代表地線或0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(yīng)用而假設(shè)的一個地,對于電源來說,它就是一個電源的負(fù)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。
設(shè)備的信號接地,可能是以設(shè)備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點,它為設(shè)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(tǒng)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(chǎn)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(shè)備中各個接地點都直接接到距它最近的接地平面上(即設(shè)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?zé)o導(dǎo)體連接。虛地:沒有接地,卻和地等電位的點。
其優(yōu)點是該電路不受大地電性能的影響。浮地可使功率地(強(qiáng)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(chǎn)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(yīng)干擾。
“地”是電子技術(shù)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(jié)一下“地”的概念。
“接地”有設(shè)備內(nèi)部的信號接地和設(shè)備接大地,兩者概念不同,目的也不同。“地”的經(jīng)典定義是“作為電路或系統(tǒng)基準(zhǔn)的等電位點或平面”。
一、信號“地”又稱參考“地”,就是零電位的參考點,也是構(gòu)成電路信號回路的公共端 。
(1) 直流地:直流電路“地”,零電位參考點。
(2) 交流地:交流電的零線。應(yīng)與地線區(qū)別開。
(3) 功率地:大電流網(wǎng)絡(luò)器件、功放器件的零電位參考點。
(4) 模擬地:放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器和比較器的零電位參考點。
(5) 數(shù)字地:也叫邏輯地,是數(shù)字電路的零電位參考點。
(6) “熱地”:開關(guān)電源無需使用工頻變壓器,其開關(guān)電路的“地”和市電電網(wǎng)有關(guān),即所謂的“熱地”,它是帶電的。
(7) “冷地”:由于開關(guān)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。
信號接地
設(shè)備的信號接地,可能是以設(shè)備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點,它為設(shè)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。(這里主要介紹浮地)單點接地是指整個電路系統(tǒng)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(chǎn)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(shè)備中各個接地點都直接接到距它最近的接地平面上(即設(shè)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?zé)o導(dǎo)體連接?!?虛地:沒有接地,卻和地等電位的點?!黄鋬?yōu)點是該電路不受大地電性能的影響。浮地可使功率地(強(qiáng)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(chǎn)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(yīng)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(shè)備泄漏電流的合格性。
1、浮地技術(shù)的應(yīng)用
a交流電源地與直流電源地分開
一般交流電源的零線是接地的。但由于存在接地電阻和其上流過的電流,導(dǎo)致電源的零線電位并非為大地的零電位。另外,交流電源的零線上往往存在很多干擾,如果交流電源地與直流電源地不分開,將對直流電源和后續(xù)的直流電路正常工作產(chǎn)生影響。因此,采用把交流電源地與直流電源地分開的浮地技術(shù),可以隔離來自交流電源地線的干擾。
b 放大器的浮地技術(shù)
對于放大器而言,特別是微小輸入信號和高增益的放大器,在輸入端的任何微小的干擾信號都可能導(dǎo)致工作異常。因此,采用放大器的浮地技術(shù),可以阻斷干擾信號的進(jìn)入,提高放大器的電磁兼容能力。
c 浮地技術(shù)的注意事項
1)盡量提高浮地系統(tǒng)的對地絕緣電阻,從而有利于降低進(jìn)入浮地系統(tǒng)之中的共模干擾電流。
2)注意浮地系統(tǒng)對地存在的寄生電容,高頻干擾信號通過寄生電容仍然可能耦合到浮地系統(tǒng)之中。
3)浮地技術(shù)必須與屏蔽、隔離等電磁兼容性技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用,才能收到更好的預(yù)期效果。
4)采用浮地技術(shù)時,應(yīng)當(dāng)注意靜電和電壓反擊對設(shè)備和人身的危害。
2、混合接地
混合接地使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時呈現(xiàn)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(huán)路形成。當(dāng)將直流地和射頻地分開時,將每個子系統(tǒng)的直流地通過10~100nF的電容器接到射頻地上,這兩種地應(yīng)在一點有低阻抗連接起來,連接點應(yīng)選在最高翻轉(zhuǎn)速度(di/dt)信號存在的點。
二、 設(shè)備接大地
在工程實踐中,除認(rèn)真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號接地外,通常還將設(shè)備的信號地,機(jī)殼與大地連在一起,以大地作為設(shè)備的接地參考點。設(shè)備接大地的目的是 :
1)保護(hù)地,保護(hù)接地就是將設(shè)備正常運行時不帶電的金屬外殼(或構(gòu)架)和接地裝置之間作良好的電氣連接。 為了保護(hù)人員安全而設(shè)置的一種接線方式。保護(hù)“地”線一端接用電器外殼,另一端與大地作可靠連接。
2)防靜電接地,泄放機(jī)箱上所積累的電荷,避免電荷積累使機(jī)箱電位升高,造成電路工作的不穩(wěn)定。
3)屏蔽地,避免設(shè)備在外界電磁環(huán)境的作用下使設(shè)備對大地的電位發(fā)生變化,造成設(shè)備工作的不穩(wěn)定。此外還有防雷接地和音響中的音頻專用地等等。
三、就接地問題提出一些看法:
(1)控制系統(tǒng)宜采用一點接地。一般情況下,高頻電路應(yīng)就近多點接地,低頻電路應(yīng)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(huán)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(chǎn)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(shù)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(jī)浮空即系統(tǒng)各個部分與大地浮置起來,這種方法簡單,但整個系統(tǒng)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(jī)殼接地,其余部分浮空。這種方法抗干擾能力強(qiáng),安全可靠,但實現(xiàn)起來比較復(fù)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(shù)。對于具體模擬量信號的接地處理要嚴(yán)格按照操作手冊上的要求設(shè)計。
(5)屏蔽地。在控制系統(tǒng)中為了減少信號中電容耦合噪聲、準(zhǔn)確檢測和控制,對信號采用屏蔽措施是十分必要的。根據(jù)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(dá)、電臺等高頻電磁場輻射干擾。利用低阻金屬材料高導(dǎo)流而制成,可接大地。磁場屏蔽用以防磁鐵、電機(jī)、變壓器、線圈等磁感應(yīng),其屏蔽方法是用高導(dǎo)磁材料使磁路閉合,一般接大地為好。當(dāng)信號電路是一點接地時,低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點接地。如果電纜的屏蔽層地點有一個以上時,將產(chǎn)生噪聲電流,形成噪聲干擾源。當(dāng)一個電路有一個不接地的信號源與系統(tǒng)中接地的放大器相連時,輸入端的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端;相反,當(dāng)接地的信號源與系統(tǒng)中不接地的放大器相連時,放大器的輸入端也應(yīng)接到信號源的公共端。
對于電氣系統(tǒng)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(tǒng),每個子系統(tǒng)都有其共同的接地點或接地干線,最后才連接在一起,實行總接地。