В практических приложениях, особенно в сложных конструкциях печатных плат (PCB), разности потенциалов в земле (GND) могут вызывать неожиданные проблемы. В этой статье рассматривается, как односторонние схемы могут превращаться в дифференциальные схемы под влиянием разностей потенциалов GND и как это преобразование влияет на производительность схемы.

I. Основы понимания GND в схемах

В схемах символ GND повсеместен, представляя точку опорного потенциала схемы, обычно установленную на 0 В. Разработчики предполагают, что все GND на PCB имеют одинаковый потенциал. Однако в реальности сеть GND на PCB имеет импеданс и сопротивление, что вызывает падение напряжения, когда через сеть GND течет ток.

II. Явление GND, который не является GND

Когда существует разность потенциалов между различными точками GND на PCB, эта разность может быть вызвана различными компонентами, включая планировку сети GND, выбор путей тока и помехи от других компонентов на PCB. Эта разность потенциалов оказывает значительное влияние на работу схемы.

III. Отличия между односторонними и дифференциальными схемами

3.1 Односторонние схемы

Односторонняя схема относится к схеме, в которой источник сигнала и нагрузка подключены к GND через один путь. В таких схемах точка отсчета для сигнала - это GND, и все измерения напряжения и тока производятся относительно GND. Проектирование односторонних схем относительно простое, но их производительность может значительно ухудшиться из-за разностей потенциалов GND.

3.2 Дифференциальные схемы

Дифференциальные схемы используют разность между двумя сигналами (дифференциальными сигналами) для передачи информации и обладают более высокой способностью подавлять шум и помехи общего режима, что делает их широко используемыми в высокопроизводительных приложениях. Однако, когда односторонняя схема превращается в дифференциальную из-за разностей потенциалов GND, это обычно является негативным изменением.

IV. Преобразование односторонних схем, когда GND не является GND

Когда на PCB существует разность потенциалов GND, односторонняя схема может проявлять характеристики дифференциальной схемы. Значения напряжений различных узлов в схеме относительно различных точек отсчета GND будут различаться, что вызывает искажения при передаче сигнала. Например, в стандартной неинвертирующей усилительной схеме разности потенциалов GND введут ошибки на выходе.

V. Влияние на производительность схемы

Когда односторонняя схема превращается в дифференциальную из-за разностей потенциалов GND, влияние на производительность схемы включает:

Увеличение ошибки выхода: разности потенциалов GND вызывают отклонение выходного сигнала от ожидаемого значения, что приводит к увеличению ошибок.

Искажение сигнала: характеристики дифференциального сигнала вызывают искажения при передаче сигнала, влияя на качество сигнала.

Снижение стабильности системы: разности потенциалов GND могут влиять на стабильность системы, вызывая такие явления, как самоосцилляция и другие проблемы с устойчивостью.

VI. Решения

Чтобы устранить проблему преобразования односторонних схем в дифференциальные при разностях потенциалов GND, можно принять следующие меры:

Оптимизация планировки PCB: используйте подходящие методы планировки, чтобы гарантировать, что GND входного питания, входных резисторов и выходного напряжения имеют одинаковый потенциал.

Применение метода "звездного" GND: физически соедините важные точки GND вместе, чтобы сформировать звездообразную структуру, уменьшив импеданс между соединениями GND и минимизировав разности потенциалов.

Добавление развязывающих конденсаторов: увеличьте количество развязывающих конденсаторов в сети GND, чтобы поглощать высокочастотные шумы и помехи, уменьшая разности потенциалов GND.

Регулярная проверка и тестирование: регулярно проверяйте и тестируйте разности потенциалов в сети GND во время разработки и производства схем, чтобы убедиться, что они находятся в допустимых пределах.

VII. Заключение

Когда GND не является GND, односторонние схемы превращаются в дифференциальные схемы, что значительно влияет на производительность схемы. Оптимизируя планировку PCB, применяя метод "звездного" GND, добавляя развязывающие конденсаторы и проводя регулярные проверки и тестирования, эту проблему можно эффективно решить, обеспечивая стабильность и производительность схемы. В проектировании электронных схем крайне важно полностью осознавать значение GND и принимать эффективные меры для обеспечения стабильности и согласованности сети GND.