GND ในวงจรคืออะไร?

ในการสำรวจวงจรอิเล็กทรอนิกส์ให้เข้าใจแนวคิดของ GND (กราวด์) และบทบาทที่หลากหลายในการออกแบบวงจรGND เป็นองค์ประกอบพื้นฐานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ไม่เพียง แต่ให้จุดอ้างอิงที่เป็นไปได้ของวงจร แต่ยังมีบทบาทสำคัญในประสิทธิภาพความมั่นคงและความปลอดภัยของวงจรจากการป้องกันความปลอดภัยขั้นพื้นฐานของเครื่องใช้ในครัวเรือนไปจนถึงการใช้งานขั้นสูงในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนบทบาทและการใช้งานของ GND จะถูกนำเสนอในหลาย ๆ ด้านและความซับซ้อนของพวกเขาบทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อให้การอภิปรายเชิงลึกเกี่ยวกับประเภทต่าง ๆ ของ GND วิธีการทำงานและความสำคัญของพวกเขาในการออกแบบวงจรเพื่อให้มุมมองที่ครอบคลุมเกี่ยวกับการทำความเข้าใจองค์ประกอบวงจรที่สำคัญนี้

GND (พื้นดิน) คืออะไร?

GND เป็นตัวย่อสำหรับพื้นดินGND ย่อมาจากพื้นดินหรือ 0 ลวด

พื้นดินยังสามารถอ้างถึงโลกซึ่งไม่ใช่พื้นดินที่แท้จริงเชื่อมต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าเข้ากับพื้นเพื่อป้องกันไม่ให้ผู้ใช้สัมผัสกับแรงดันไฟฟ้าสูง

'บริเวณ' ต่างๆในวงจร

การต่อสายดินเป็นคุณลักษณะด้านความปลอดภัยหลักของระบบไฟฟ้าวัตถุประสงค์หลักคือเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานที่ปลอดภัยของอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่มีร่างกายโลหะเช่นตู้เย็นในครัวเรือนเครื่องซักผ้าหรือเตาอบโดยการออกแบบร่างกายของอุปกรณ์เหล่านี้ไม่ควรมีชีวิตอยู่อย่างไรก็ตามในการใช้งานจริงลำตัวอาจถูกเรียกเก็บเงินโดยไม่ตั้งใจเนื่องจากความผิดพลาดภายในเช่นอายุหรือความเสียหายต่อวัสดุฉนวนหากอุปกรณ์ไม่ได้มีสายดินร่างกายที่มีชีวิตจะทำให้เกิดความเสี่ยงต่อการเกิดไฟฟ้าช็อตโดยตรงเมื่อสัมผัสกับอุปกรณ์เพื่อป้องกันสิ่งนี้การเชื่อมต่อตัวอุปกรณ์เข้ากับพื้นผ่านตัวนำพื้นดินโดยเฉพาะทำให้มั่นใจได้ว่ากระแสไฟฟ้าผิดใด ๆ จะถูกส่งไปยังพื้นดินอย่างปลอดภัยแทนที่จะผ่านร่างกายมนุษย์ที่สัมผัสกับอุปกรณ์องค์ประกอบของการต่อสายดินของอุปกรณ์ไฟฟ้าแสดงในรูปด้านล่าง

องค์ประกอบของการต่อสายดินอุปกรณ์ไฟฟ้า

ในระดับเทคนิคโดยทั่วไปแล้วการต่อสายดินจะขึ้นอยู่กับการเชื่อมต่อทางกายภาพกับสายกราวด์หรือก้านกราวด์ปลายด้านหนึ่งของสายไฟพื้นดินเหล่านี้เชื่อมต่อกับส่วนโลหะของอุปกรณ์และปลายอีกด้านเชื่อมต่อกับระบบกราวด์ของอาคารหรือถูกฝังอยู่ใต้ดินโดยตรงวิธีการเชื่อมต่อนี้สร้างเส้นทางที่ปลอดภัยอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อให้ในกรณีที่เกิดความผิดพลาดภายในกระแสที่รั่วไหลออกมาจะถูกส่งไปยังพื้นอย่างมีประสิทธิภาพดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงความเสี่ยงของการช็อกไฟฟ้า

ในสภาพแวดล้อมที่มีความเสี่ยงสูงนอกเหนือจากบทบาทความปลอดภัยขั้นพื้นฐานแล้วการต่อสายดินอาจถูกนำมาใช้ร่วมกับอุปกรณ์ความปลอดภัยอื่น ๆ เช่นอุปกรณ์การรั่วไหลในปัจจุบัน (RCD)ฟังก์ชั่นของอุปกรณ์เหล่านี้คือการตรวจสอบว่ากระแสที่ไหลเข้าและออกจากอุปกรณ์มีความสมดุลหรือไม่หากตรวจพบความไม่สมดุล (บ่งชี้ว่ากระแสอาจไหลผ่านเส้นทางที่ผิดปกติอื่น ๆ เช่นร่างกายมนุษย์) อุปกรณ์จะตัดกำลังออกทันทีเพื่อป้องกันการกระแทกไฟฟ้า

ในอุปกรณ์ไฟฟ้าพิเศษการต่อสายดินมีบทบาทที่หลากหลายมากขึ้นเช่นในอุปกรณ์การแพทย์หรืออุปกรณ์ห้องปฏิบัติการที่มีความแม่นยำสูงซึ่งไม่เพียง แต่ใช้เพื่อการปกป้องบุคลากรเท่านั้น.ในกรณีเช่นนี้การออกแบบและการใช้งานของสายดินจะต้องมีความแม่นยำและซับซ้อนมากขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการด้านความปลอดภัยและการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง

GND มีบทบาทสำคัญมากในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์บทบาทของมันสามารถวิเคราะห์ในเชิงลึกจากมิติทางเทคนิคต่อไปนี้:

หนึ่งคือการให้ศักยภาพอ้างอิงGND มักจะให้จุดอ้างอิงทั่วไปในวงจรแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดในวงจรถูกวัดเมื่อเทียบกับ GND ซึ่งหมายความว่าจุด GND ถูกกำหนดให้เป็นจุดแรงดันไฟฟ้าศูนย์จุดอ้างอิงที่พบบ่อยช่วยให้มั่นใจได้ว่าระดับแรงดันไฟฟ้าที่ถูกต้องระหว่างส่วนประกอบวงจรและการส่งสัญญาณที่แม่นยำ

ประการที่สองคือการก่อตัวของเส้นทางลูปปัจจุบันในวงจรใด ๆ กระแสต้องมีเส้นทางวนรอบที่สมบูรณ์เพื่อให้การทำงานที่เหมาะสมสำเร็จGND จัดเตรียมเส้นทางให้กระแสไหลจากแหล่งจ่ายไฟไปยังส่วนโหลดของวงจร (เช่นทรานซิสเตอร์ตัวต้านทาน ฯลฯ ) จากนั้นกลับไปที่แหล่งจ่ายไฟผ่าน GND ซึ่งสร้างเส้นทางลูปปัจจุบันที่สมบูรณ์

ที่สามคือการป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)บทบาทที่สำคัญที่สุดของ GND ในการออกแบบวงจรคือการลดสัญญาณรบกวนภายนอกโดยเฉพาะอย่างยิ่ง EMIโดยการต่อสายดินส่วนที่ละเอียดอ่อนของวงจรสัญญาณรบกวนสามารถถูกแบ่งออกได้อย่างมีประสิทธิภาพลงไปที่พื้นดังนั้นจึงปกป้องวงจรจาก EMI

ประการที่สี่คือการปรับปรุงประสิทธิภาพและความเสถียรของวงจรการออกแบบสายดินที่ดีสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมและความเสถียรของวงจรได้อย่างมีนัยสำคัญการใช้กลยุทธ์การต่อสายดินแบบหลายจุดหรือหลายจุดสามารถลดความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นจากสายพื้นดินซึ่งจะช่วยลดเสียงรบกวนและการบิดเบือนในเส้นทางสัญญาณตัวอย่างเช่นในวงจรดิจิตอลความเร็วสูงวิธีการต่อสายดินที่ถูกต้องสามารถลดการสะท้อนสัญญาณและ crosstalk ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ข้อที่ห้าคือกลไกการป้องกันความปลอดภัยในกรณีที่มีเงื่อนไขข้อผิดพลาดเช่นอุปกรณ์ลัดวงจรหรืออุปกรณ์ที่เสียหาย GND ให้เส้นทางที่ปลอดภัยสำหรับกระแสไฟฟ้าที่จะปล่อยสิ่งนี้จะช่วยป้องกันกระแสไฟฟ้าส่วนเกินได้อย่างรวดเร็วป้องกันไฟไฟฟ้าหรือความเสียหายของอุปกรณ์นอกจากนี้การต่อสายดินช่วยให้มั่นใจถึงความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงานและป้องกันความเสี่ยงของการกระแทกไฟฟ้าเนื่องจากอุปกรณ์ล้มเหลว

จากการวิเคราะห์ข้างต้นเราจะเห็นว่า GND ไม่เพียง แต่เป็นองค์ประกอบพื้นฐานในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ แต่ยังเป็นกุญแจสำคัญในการรักษาประสิทธิภาพของวงจรความมั่นคงและความปลอดภัยในระหว่างกระบวนการออกแบบวงจรประเภทต่าง ๆ มีข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับ GNDดังนั้นวิศวกรจะต้องพิจารณากลยุทธ์การต่อสายดินอย่างรอบคอบเพื่อให้แน่ใจว่าการเพิ่มประสิทธิภาพและความปลอดภัยของการออกแบบวงจรไม่ว่าจะเป็นในการออกแบบวงจรอย่างง่ายหรือการรวมระบบที่ซับซ้อนกลยุทธ์การต่อสายดินที่สมเหตุสมผลเป็นพื้นฐานสำหรับการบรรลุผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพเชื่อถือได้และปลอดภัย

4.1 กราวด์อะนาล็อก agnd

Analog Ground AGND ส่วนใหญ่ใช้ในวงจรอะนาล็อกโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณอะนาล็อกที่อ่อนแอเช่นวงจรการได้มาของ ADC และวงจรแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการในวงจรดังกล่าวเนื่องจากความไวและความอ่อนแอของสัญญาณอะนาล็อกพวกเขามีความไวต่อการรบกวนในปัจจุบันขนาดใหญ่จากวงจรอื่น ๆหากไม่มี AGND โดยเฉพาะกระแสน้ำขนาดใหญ่เหล่านี้อาจสร้างแรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างมีนัยสำคัญในวงจรอะนาล็อกทำให้เกิดการบิดเบือนสัญญาณและแม้แต่ความล้มเหลวของวงจรในกรณีที่รุนแรงดังนั้นการปรากฏตัวของ AGND จึงมีความสำคัญในการรักษาความสมบูรณ์และความแม่นยำของสัญญาณอะนาล็อก

4.2 Digital Ground DGND

DGND Digital Ground นั้นแตกต่างจาก ANALOG Ground AGND โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานในวงจรดิจิตอลเช่นวงจรการตรวจจับที่สำคัญวงจรการสื่อสาร USB และวงจรไมโครคอนโทรลเลอร์ลักษณะหลักของวงจรดิจิตอลคือสัญญาณที่พวกเขาประมวลผลนั้นไม่ต่อเนื่องซึ่งหมายความว่าสัญญาณการเปลี่ยนแปลงระหว่างสองรัฐเท่านั้นซึ่งมักจะระบุว่าเป็นดิจิตอล "0" และดิจิตอล "1. "ดังที่แสดงด้านล่าง

การประมวลผลวงจรดิจิตอล

สถานะเหล่านี้สอดคล้องกับระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันโดยปกติ "0" หมายถึงระดับต่ำและ "1" แสดงถึงระดับสูงการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อวงจรดิจิตอลสลับจากสถานะ "0" เป็นสถานะ "1" หรือในทางกลับกันการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ไม่เพียง แต่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในปัจจุบันตามทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของ Maxwell การเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันนี้สร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไปรอบ ๆ ซึ่งจะสร้างสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ซึ่งอาจทำให้เกิดการรบกวนส่วนประกอบอื่น ๆ ในวงจรหรือวงจรที่อยู่ติดกันเพื่อลดผลกระทบของการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้านี้ต่อประสิทธิภาพโดยรวมของวงจรนักออกแบบมักจะใช้ DGND พื้นดินดิจิตอลอิสระเมื่อเปรียบเทียบกับ Analog Ground (AGND) DGND ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับวงจรดิจิตอลเพื่อให้จุดอ้างอิงที่เสถียรและแยกสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยสัญญาณดิจิตอลสิ่งนี้จะช่วยลดระดับเสียงรบกวนโดยรวมของวงจรซึ่งจะเป็นการปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณและความน่าเชื่อถือของวงจร

ในระบบวงจรที่ซับซ้อนโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีทั้งชิ้นส่วนอะนาล็อกและดิจิตอลเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องแยกแยะความแตกต่างระหว่าง DGND และ AGNDเนื่องจากสัญญาณอะนาล็อกมีความไวต่อเสียงมากขึ้นการแยก DGND และ AGND สามารถมั่นใจได้ว่าส่วนอะนาล็อกไม่ได้รับผลกระทบจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการสลับสัญญาณดิจิตอลในระหว่างกระบวนการออกแบบและเค้าโครงของแผงวงจร (PCB) การจัดวางตำแหน่งของ DGNDS จะต้องได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบเพื่อหลีกเลี่ยงการก่อตัวของลูปซึ่งอาจทำให้เกิดการรบกวนลูปในปัจจุบันDGND ที่วางไว้อย่างถูกต้องช่วยเพิ่มประสิทธิภาพความสมบูรณ์ของสัญญาณและลดการรบกวนที่แผ่ออกมาและดำเนินการ

4.3 Power Ground Pgnd

ในชีวิตของเราวงจรจะถูกแบ่งออกเป็นวงจรพลังงานต่ำและวงจรพลังงานสูงAGND กราวด์แบบอะนาล็อกหรือ DGND ดิจิตอล DGND ที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นวงจรพลังงานต่ำสำหรับวงจรพลังงานสูงเหล่านี้เช่นวงจรมอเตอร์ไดรฟ์วงจรไดรฟ์โซลินอยด์วาล์วเป็นต้นนอกจากนี้ยังมีพื้นที่อ้างอิงพิเศษที่เรียกว่า Power Ground PGNDในวงจรพลังงานสูงขนาดและการเปลี่ยนแปลงของกระแสมีผลกระทบที่เด่นชัดมากขึ้นในระบบสายดินมากกว่าในวงจรพลังงานต่ำดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบกับ AGND แบบอะนาล็อกที่มีกำลังต่ำหรือ DGND Digital Ground DGND สามารถกล่าวได้ว่า Power Ground PGND ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อจัดการกับกระแสสูงเหล่านี้และสร้างความมั่นใจในความเสถียรของวงจร

ในวงจรพลังงานสูงเหล่านี้การเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในปัจจุบันสามารถส่งผลให้เกิดการชดเชยพื้นดินระหว่างวงจรการทำงานที่แตกต่างกันการเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นเมื่อจุดอ้างอิงภาคพื้นดิน (GND) ประสบกับแรงดันตกเนื่องจากทางเดินสูงตัวอย่างเช่นสมมติว่าวงจรได้รับการออกแบบที่ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่เสถียรของ 5V แต่เนื่องจากการชดเชยในพื้นดินในกรณีดังกล่าวจุดอ้างอิง GND อาจเพิ่มขึ้นจาก 0V เป็น 1V ซึ่งจะทำให้แรงดันไฟฟ้าจริงลดลงเหลือ 4V (5V-1V = 4V) ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือโดยรวมของวงจรดังนั้นเมื่อออกแบบวงจรพลังงานสูงจะต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับเค้าโครงและการใช้งาน PGNDการออกแบบ PGND ที่เหมาะสมสามารถลดผลกระทบของการชดเชยพื้นดินและให้แน่ใจว่าเสถียรภาพของแหล่งจ่ายไฟลองใช้สายไฟที่หนาขึ้นเลเยอร์การลงดินโดยเฉพาะหรือการออกแบบจุดกราวด์หลายจุดเพื่อกระจายกระแสออกซึ่งจะช่วยลดแรงดันตกที่จุดเดียว

นอกจากนี้ PGND ยังช่วยลดการรบกวนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่เกิดจากกระแสน้ำสูงด้วยการให้การอ้างอิงพื้นดินที่มั่นคง PGND ช่วยลดเสียงรบกวนและสัญญาณรบกวนในวงจรโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่ความเข้ากันได้ของแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) เป็นข้อพิจารณาเป็นพิเศษ

4.4 Power Ground Gnd

Analog Ground Agnd, Dignal Ground DGND และ Power Ground PGND ทั้งหมดอยู่ในหมวดหมู่ของ DC Ground GNDในที่สุดบริเวณที่แตกต่างกันเหล่านี้มารวมกันเพื่อสร้างพื้นที่อ้างอิง 0V สำหรับวงจรทั้งหมดซึ่งเป็น GND Power Groundแรงดันไฟฟ้าและกระแสของวงจรทั้งหมดมาจากแหล่งจ่ายไฟดังนั้น GND ของแหล่งจ่ายไฟจึงกลายเป็นรากฐานและจุดเริ่มต้นของวงจรทั้งหมดสิ่งนี้อธิบายได้ว่าเหตุใดจึงจำเป็นต้องนำพื้นที่ประเภทต่าง ๆ มารวมกันใน GND Power Ground เพื่อให้แน่ใจว่าความสอดคล้องโดยรวมและความเสถียรของวงจร

4.5 Exchange Place CGND

AC Ground CGND มักจะปรากฏในโครงการวงจรที่มีแหล่งพลังงาน AC เช่น AC-DC ในรูปด้านล่างในวงจรเหล่านี้เนื่องจากส่วนด้านหน้าของวงจรเป็นส่วน AC และส่วนด้านหลังจะถูกแปลงเป็น DC จุดพื้นดินที่แตกต่างกันสองจุดจะเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้: หนึ่งสำหรับส่วน AC และอีกส่วนหนึ่งสำหรับส่วน DCเพื่อให้แน่ใจว่ามีความสอดคล้องของวงจรวิศวกรมักจะเชื่อมต่อจุดกราวด์ทั้งสองผ่านตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำเพื่อรวมกราวด์ AC และพื้นดิน DC

DC และ AC

4.6 ภาคพื้นดิน EGND

แรงดันไฟฟ้าความปลอดภัยของร่างกายมนุษย์โดยทั่วไปถือว่าเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 36Vเมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินเกณฑ์นี้อาจทำให้เกิดอันตรายหากนำไปใช้กับร่างกายมนุษย์ดังนั้นเมื่อออกแบบวงจรแรงดันสูงและกระแสสูงวิศวกรมักจะใช้ EGND เพื่อเพิ่มความปลอดภัยนี่เป็นเรื่องธรรมดาในวงจรของเครื่องใช้ในครัวเรือนเช่นแฟน ๆ ตู้เย็นและโทรทัศน์ซ็อกเก็ตที่มีการป้องกันภาคพื้นดินจะแสดงในรูปด้านล่าง

ซ็อกเก็ตที่มีการป้องกันพื้นดิน EGND

220V AC ต้องใช้สายไฟและเป็นกลางเท่านั้นทำไมซ็อกเก็ตเครื่องใช้ในครัวเรือนจึงมี 3 เทอร์มินัล?

โดยปกติแล้วแหล่งจ่ายไฟ AC 220V ต้องใช้สายไฟเพียงสองสายเท่านั้น: สายร้อน (ลวดร้อน) และลวดที่เป็นกลาง (ลวดเป็นกลาง)ซ็อกเก็ตสำหรับเครื่องใช้ในครัวเรือนมักจะรวมถึงเทอร์มินัลที่สามสายดินดิน EGNDการเพิ่มเทอร์มินัลที่สามนี้แม้ว่าจะไม่ได้มีส่วนร่วมในหน้าที่หลักของวงจร แต่ให้การป้องกันความปลอดภัยที่สำคัญเมื่อเกิดความผิดพลาดภายในอุปกรณ์ไฟฟ้าเช่นความเสียหายของฉนวนกันความร้อนทำให้ร่างกายกลายเป็นไฟฟ้ามันจะเป็นเส้นทางหลบหนีที่ปลอดภัยสำหรับกระแสด้วยวิธีนี้กระแสที่ผิดพลาดใด ๆ จะถูกส่งไปยังพื้นดินแทนที่จะผ่านร่างกายมนุษย์ที่สัมผัสกับอุปกรณ์ช่วยลดความเสี่ยงของการช็อกไฟฟ้าอย่างมากดังนั้นจึงมีความแตกต่างที่ชัดเจนในความหมายของวงจรระหว่าง EGND และสายอื่น ๆ ของสายพื้นดิน GNDEGND ไม่ได้มีส่วนร่วมโดยตรงในฟังก์ชั่นหลักของวงจรออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อเพิ่มความปลอดภัยมันเชื่อมต่อกับโลกเพื่อให้จุดอ้างอิงพื้นดินที่มั่นคงและดำเนินการไฟฟ้าในช่วงที่ผิดปกติเพื่อปกป้องอุปกรณ์และผู้ใช้จากแรงดันไฟฟ้าสูง

การประยุกต์ใช้ EGND ในการออกแบบวงจรไม่ จำกัด เฉพาะเครื่องใช้ในครัวเรือนEGND เป็นมาตรการด้านความปลอดภัยที่จำเป็นในการออกแบบวงจรใด ๆ ที่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าสูงหรือกระแสสูงช่วยให้มั่นใจได้ว่าความปลอดภัยในการปฏิบัติงานจะได้รับการดูแลรักษาแม้ในกรณีที่อุปกรณ์ล้มเหลวหรือสถานการณ์ที่ผิดปกติอื่น ๆ

ในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์แนวคิดของสายกราวด์ GND ดูเหมือนง่าย แต่มันมีฟังก์ชั่นและการจำแนกประเภทต่าง ๆ ที่หลากหลายซึ่งทำให้ปัญหาวงจรที่เรียบง่ายดูเหมือนจะค่อนข้างซับซ้อนเหตุใดจึงมีส่วนย่อยมากมายของฟังก์ชั่นการต่อสายดินของ GND?โดยทั่วไปเมื่อวิศวกรออกแบบวงจรพวกเขามักจะตั้งชื่อสายไฟกราวด์ GND ทั้งหมดเป็น GND และไม่แยกแยะพวกเขาในการออกแบบแผนผังแม้ว่าวิธีการนี้จะใช้งานง่าย แต่ก็จะทำให้เกิดปัญหาโดยเฉพาะอย่างยิ่งในขั้นตอนการเดินสาย PCB ซึ่งเป็นการยากที่จะระบุและจัดการสายไฟกราวด์ GND ของฟังก์ชั่นวงจรที่แตกต่างกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เกี่ยวกับปัญหาของสัญญาณ crosstalk เมื่อ GNDs ของฟังก์ชั่นที่แตกต่างกันเชื่อมต่อโดยตรงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อ GND ของวงจรพลังงานสูงผสมกับ GND ของวงจรพลังงานต่ำอาจมีผลกระทบต่อจุดอ้างอิง 0V ของวงจรพลังงานต่ำวิธีการเดินสายดังกล่าวสามารถทำให้สัญญาณ crosstalk ระหว่างวงจรที่แตกต่างกันได้อย่างง่ายดายซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของวงจรตัวอย่างเช่นในระบบที่มีวงจรดิจิตอลความเร็วสูงและวงจรอะนาล็อกที่มีความแม่นยำหากมีการแชร์ GND เดียวกันการดำเนินการสลับความถี่สูงในวงจรดิจิตอลอาจทำให้เกิดความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญบนเส้นทาง GND ที่ใช้ร่วมกันความผันผวนเหล่านี้แพร่กระจายผ่านเส้นทาง GND ซึ่งมีผลต่อประสิทธิภาพของวงจรอะนาล็อกดังนั้นจึงเหมาะอย่างยิ่งที่จะใช้ระนาบ GND แยกต่างหากหรือร่องรอยเพื่อลดสัญญาณรบกวนร่วมกันนี้

เมื่อออกแบบระบบวงจรที่ซับซ้อนมากขึ้นการจัดการ GND จะซับซ้อนมากขึ้นตัวอย่างเช่นในโครงการระบบวงจรที่มีทั้งระบบย่อยแบบอะนาล็อกและดิจิตอลเมื่อ AGND ของวงจรอะนาล็อกเชื่อมต่อกับ CGND ของแหล่งจ่ายไฟ AC ความเสถียรของ AGND อาจได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะใน CGNDแรงดันไฟฟ้าที่ CGND ของแหล่งจ่ายไฟ AC ผันผวนเป็นระยะในขณะที่ DC Ground GND โดยทั่วไปจะคงที่ที่ 0Vความผันผวนนี้อาจแพร่กระจายไปยังวงจรอะนาล็อกทำให้เกิดการเบี่ยงเบนในแรงดันอ้างอิงเพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งนี้วิธีการทั่วไปคือการใช้เทคนิคการแยกหรือใช้ระนาบ AGND แยกต่างหากเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณมีความแม่นยำและความแม่นยำ

ความเข้ากันได้ของแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในการออกแบบวงจรและเลย์เอาต์ของ GND ยังมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อ EMCเมื่อ GNDs ของวงจรที่แตกต่างกันเชื่อมต่อวงจรที่มีสัญญาณที่แรงกว่าอาจรบกวนวงจรโดยตรงกับสัญญาณที่อ่อนแอกว่าสัญญาณรบกวนนี้อาจทำให้วงจรที่มีสัญญาณที่อ่อนแอกว่ากลายเป็นแหล่งกำเนิดของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งภายนอกที่แข็งแกร่งขึ้นทำให้การจัดการ EMC ของวงจรยากขึ้นหากคุณมีความกังวลเกี่ยวกับปัญหาประเภทนี้ให้พิจารณาเทคนิคต่าง ๆ เช่นการกรองการป้องกันและการจัดตำแหน่ง GND โดยเฉพาะระหว่างการออกแบบเพื่อลดการเกิดขึ้นของสถานการณ์การรบกวนดังกล่าว

ตัวกรอง EMC

ในที่สุดการเชื่อมต่อสัญญาณที่น้อยลงระหว่างระบบวงจรยิ่งความสามารถในการทำงานได้อย่างอิสระมากขึ้นเท่านั้นในทางตรงกันข้ามยิ่งมีการเชื่อมต่อสัญญาณมากเท่าไหร่ความสามารถของระบบวงจรแต่ละระบบก็จะลดลงอย่างอิสระหากสายไฟของวงจรที่มีฟังก์ชั่นที่แตกต่างกันนั้นเชื่อมต่อกันมันจะเทียบเท่ากับการเพิ่มการเชื่อมโยงสัญญาณรบกวนที่อาจเกิดขึ้นระหว่างวงจรซึ่งอาจลดความน่าเชื่อถือโดยรวมของวงจรตัวอย่างเช่นหากไม่มีการแยกระหว่างระบบวงจรสองระบบ A และ B การทำงานของระบบ A จะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของระบบ B และในทางกลับกันแต่ถ้าสายพื้นดินของระบบเหล่านี้มีการผสมการรบกวนที่ไม่จำเป็นอาจถูกนำมาใช้ส่งผลกระทบต่อความเสถียรและความน่าเชื่อถือของวงจร

โดยรวมแล้วบทบาทของ GND ในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์นั้นเกินกว่าจุดต่อสายดินที่เรียบง่ายจากการรับรองความปลอดภัยทางไฟฟ้าขั้นพื้นฐานไปจนถึงการสร้างความมั่นใจในการทำงานของวงจรที่แม่นยำและมั่นคงความสำคัญของ GND ไม่สามารถละเว้นได้มันมีการจำแนกประเภทที่หลากหลายและหลักการทำงานที่ซับซ้อนกำหนดให้วิศวกรต้องใช้กลยุทธ์ที่ซับซ้อนและรอบคอบเมื่อออกแบบและใช้วงจรไม่ว่าจะเป็นเครื่องใช้ไฟฟ้าธรรมดาในชีวิตประจำวันหรือผลิตภัณฑ์เทคโนโลยีระดับสูงกลยุทธ์การลงดินที่สมเหตุสมผลเป็นพื้นฐานสำหรับการบรรลุผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพเชื่อถือได้และปลอดภัยดังนั้นสำหรับโครงการใด ๆ ที่เกี่ยวข้องกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับลักษณะและแอพพลิเคชั่นของ GND จึงเป็นกุญแจสำคัญในการออกแบบที่ประสบความสำเร็จ