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Inhaltsverzeichnis

The Ultimate Guide to GND in a Circuit: Types, Design, Symbols and Best Practices

What is GND in Circuit

Einführung

GND in einem Stromkreis stellt einen gemeinsamen Punkt dar, an dem der elektrische Strom zur Quelle zurückkehrt. Falls der Strom nicht zurückfließt, kann der GND buchstäblich Leben retten. Eine dringende Frage, die sich die meisten Elektronikhersteller stellen, ist Was ist GND In-Circuit?

Ground, or “GND” in electronic design terminology, is considered an essential but rather misunderstood element in many electronic designs. Being referred to as “the zero-volt connection” in many definitions, Grounding covers far more than most designs understand. Inadequate grounding design can result in anything from stray noises and signal degradation to persistent electromagnetic interference (EMI) in an electronic design and even complete failure.
 
FS Technik offers a thorough analysis of GND, moving beyond basic definitions in examining the role of GND as a hierarchical structure, clarify common misconceptions, and outline professional design and debugging practices in this blog.

Was ist GND in der Schaltung?

In der Elektrotechnik bedeutet GND Erde. Nein, nicht die Erde, auf der wir stehen. Diese Masse bietet einen Bezugspunkt für alle Spannungen auf einer Leiterplatte. Elektrischer Strom fließt durch den Schaltkreis, nachdem er das Signal von der Last erhalten hat. Die Masse oder GND bietet einen Weg für diesen Strom, um zurückzukehren.
 
When you turn on a TV, it sends a signal to request power from the source so it can operate. The current follows the path determined by the circuit, powers the TV, and returns to the source. You must be wondering what the GND does during this process.
 
Hier ist GND ein Draht aus Kupfer, Aluminium, or steel. It does not carry current until there’s a fault. When the current strays from its path, this wire safely discharges it into the earth, preventing potential damage and hazards. This is why it is normally called the ground wire.
GND symbols

Arbeitsprinzip des GND In-Schaltkreises

Das Konzept der GND (Erdung) entstand im 19. Jahrhundert, als die Menschen erkannten, dass die Erde einen Rückweg für elektrische Signale bieten kann. Der deutsche Wissenschaftler Carl August von Steinheil probierte dies zuerst an einem Telegrafen aus, der zu dieser Zeit sehr beliebt war. Im Laufe der Zeit traten jedoch verschiedene Probleme auf.
 
The GND connection is supposed to be low-resistance to guide the current back to the source. However, prolonged dry weather in that era reduced the ground’s moisture. This increased GND’s resistance and stopped the current from flowing back. Signals and communication suffered a lot on a regular basis.
 
Bald darauf begannen Telefone die Telegrafen zu ersetzen. Die Städte wuchsen und es wurden mehr Strom- und Telekommunikationsleitungen installiert. Die gesamte elektromagnetische Aktivität der Menschen schuf einen Ozean unerwünschter Ströme in der Erde. Dieser Ozean oder die induzierten Ströme erzeugten Rauschen, das die Signale störte und wahrscheinlich bis in alle Ewigkeit weiter stören wird.
 
Aus diesem Grund ist GND in elektronischen Systemen von zentraler Bedeutung. Alle Komponenten auf einer Leiterplatte verhalten sich deshalb so, wie sie es sollen. Der elektrische Strom beginnt und endet an der Stromquelle, nachdem er über GND durch alle Komponenten geflossen ist. Ohne diese Masseverbindung wäre der Stromkreis unvollständig, und das elektronische System würde nicht funktionieren.

Why is GND in Circuit so Important?

Der GND ist der Grund für die Funktionalität, Stabilität und Sicherheit des Stromkreises. Im Falle eines Fehlers oder eines plötzlichen Stromstoßes schützt er Geräte und Benutzer vor möglichen Gefahren, indem er den Strom in die Erde ableitet.
 
Die Erdung ist bei Leiterplatten, Stromversorgungssystemen und Telekommunikationsgeräten von entscheidender Bedeutung. Sie bietet die Möglichkeit, sichere und zuverlässige elektronische Systeme zu schaffen, indem man Erde, Gehäuse, Signale oder jede andere brauchbare Erdung verwendet.
 
The following is where GND serves two indispensable functions in any electronic system:
 
  1. Voltage Reference Point: Voltages refer to a potential difference, and all measurements are taken from a reference point. The ground plane or net is usually identified as the reference point at 0 V. Voltages of +3.3 V are then referenced from the ground plane or GND.
  2. Current Return Path: All outgoing current must return to its source in accordance with the current continuity path principle. The main current return path from both signal and power current is through the GND. An important professional design consideration is that current return path needs to have low impedance and good control because it affects signal integrity and EMC performance.

Arten von GND im Schaltkreis

Mehrere Arten von GND werden für verschiedene Anwendungen verwendet. Die gebräuchlichsten sind Erde, Gehäuse und Signalmasse, aber wir werden uns noch mehr davon ansehen.

Erdung (EGND)

EGND ist die am weitesten verbreitete Art der Erdung in den heutigen elektrischen Systemen. Dabei werden die Systeme mit Hilfe von Erdungselektroden wie Metallstäben, -platten und -ringen mit der realen Erde verbunden. Sie bestehen aus hochleitfähigen Materialien wie Kupfer, verzinkter Stahl, Edelstahl und kupferbeschichteter Stahl.
 
Die Erdungselektroden sind in der Nähe der Schalttafel des Gebäudes unter der Erde vergraben. Die Erdung ist mit ihnen über einen Erdungsleiter verbunden, der an die Erdungssammelschiene im selben Schaltschrank angeschlossen ist.
 
Fast alle städtischen Gebäude, einschließlich Wohnhäuser, Büros und Fabriken, verfügen über EGND. Er schützt diese Gebäude vor Erschütterungen und Bränden, indem er einen sicheren Weg für die Ableitung von Fehlerströmen in den Boden bietet.

Chassis-Erde

Der Anschluss an EGND ist bei bestimmten Anwendungen nicht immer möglich. Sie können zum Beispiel keine tragbaren elektronischen Geräte und Automobile connected to the ground all the time. You only connect them to the ground when they are running out of power/battery.
 
In such cases, a ground plane is used as the common reference point. A ground plane on a PCB or GND PCB is a large copper layer on the board. It acts as a reference for all the electricity flowing across the board. It means that the metal structure of the device itself (car, mobile phone, or laptop) becomes the GND.
 
Die chassis ground Die Gehäuseerdung schützt das System vor elektromagnetischen Störungen (EMI), die den Betrieb Ihres Geräts beeinträchtigen. Auch wenn sie nicht direkt mit der Erde verbunden ist, hält sie dennoch überschüssigen Strom von den Komponenten des Geräts und den Menschen fern.

Signalmasse (SGND)

SNGD bietet einen Bezugspunkt für Signale, die zwischen Geräten übertragen werden. Da jedes Gerät seine eigene Stromquelle hat, können die Spannungen ein wenig variieren. Dieser geringe Unterschied erzeugt kleine Ströme, die Rauschen erzeugen und die Signale verzerren. SNGD trennt den Signalweg von diesen verrauschten Strömen.
 
You can use signal ground in pcb which heavily depends on signal processing. For example, PCBs in sound systems need SGND to stop electrical signals from interfering with the audio signals. Signal ground isolates the noise so you can hear clear sound.

Analoge Masse (AGND)

In der Elektronik gibt es zwei Arten von Signalen: analoge und digitale. Analoge Signale sind langsam und kontinuierlich, während digitale Signale schnelle Stromstöße sind. Wenn schnelle digitale Signale mit analogen kollidieren, leidet die Qualität der analogen Signale.
 
It requires a proper circuit board ground to split the paths of analog and digital signals. You can create AGND by specifying a point on an analog circuit to serve as a reference. It prevents digital noise from interfering with analog signals.

Digitale Masse (DGND)

Digital Ground(DGND) is a reference for high-speed digital signals and manages the noise created by their quick switching. It keeps them separate from disrupting analog signals, so systems with mixed-signal integrated circuits (ICs) can run smoothly.
 
Analog components like ADCs (Analogue-to-Digital Converters) and DACs (Digital-to-Analog Converters) provide an interface between analog signals and digital processes. For example, many medizinische Geräte monitor analog signals like heartbeat and convert them to digital data for diagnosis.
 
Digitales Rauschen kann sich in diese empfindlichen analogen Signale einkoppeln und ungenaue Messwerte verursachen. Deshalb muss sie mit DGND geerdet werden.

Netzerde (PGND)

PGND PGND ist ein Erdungspunkt für Stromversorgungsschaltungen und Hochstromkomponenten auf der Leiterplatte. Diese Art von Masse isoliert das Rauschen von Stromkreisen, die analoge Signale unterbrechen. Sie ähnelt EGND, da sie auch einen Pfad für Ströme im Falle von elektrischen Fehlern öffnet. Sie verbindet verschiedene Stromversorgungsspannungen so, dass alle Komponenten einen gemeinsamen Bezugspunkt haben.
 
Sie können PGND auch durch den Anschluss von Leitern an Erdungselektroden herstellen. Es schützt Geräte und Menschen vor elektrischen Schlägen, indem es den überschüssigen Strom sicher in die Erde ableitet. Bei richtiger Umsetzung kann PGND unregelmäßige Spannungsschwankungen regulieren.

AC-Erde (CGND)

CGND ist ein Referenzpunkt für Wechselstrom (AC) in AC-DC-Netzteil Schaltungen. Er wird in der Regel über Induktivitäten (L) oder Koppelkondensatoren (C) mit der Gleichstromerde verbunden. Er lässt AC passieren, indem er DC-Signale blockiert.
 
C sind Hochpassfilter mit niedrigem Widerstand für AC-Frequenzen und hohem Widerstand für DC. Wenn sie zwischen zwei Schaltkreisknoten platziert werden, isolieren sie den Gleichstromanteil und lassen nur den Wechselstrom durch.
 
Viele Ingenieure platzieren C in der Nähe der Signalquelle, um die Gefahr von Signalausfällen zu minimieren. C kann auch zusammen mit L verwendet werden, um LC-Filter zu bilden. Dadurch verdoppelt sich die Fähigkeit der Masse, bestimmte Frequenzen zu filtern und andere durchzulassen.

Star Ground

Bei dieser Art der Erdung werden mehrere GNDs sternförmig mit einem einzigen Punkt verbunden. Dieses Design verhindert, dass PCB PCB-Komponenten sich nicht gegenseitig stören. EMI kann Übersprechen in ICs verursachen, wenn mehrere Hochfrequenzleiter nahe beieinander liegen.
 
Es ist wie eine gemeinsame Masse auf einer Leiterplatte. Alle Komponenten teilen sich einen einzigen GND, um Interferenzen zwischen verschiedenen Teilen der Schaltung zu verhindern, damit die Spannungen nicht schwanken.

Schwebender Boden

Es ist ein Bezugspunkt für alle Spannungen in einem Schaltkreis, der von der eigentlichen Erde isoliert ist. Die meisten elektronischen Geräte haben GND in einer Leiterplatte, d.h. sie sind mit der Erde verbunden. Wenn diese Verbindung zur Erde jedoch nicht hergestellt wird, spricht man von einer "schwebenden" Masse.
 
Bei vielen Anwendungen kann der Anschluss Ihrer Geräte an die Erde ernsthafte Gefahren mit sich bringen. Die Erde kann aufgrund von Fehlern in der Last oder Naturkatastrophen hohe Spannungen führen. Diese Umstände können zu Überspannungen in der Last führen, was zu Schäden an den Geräten oder Menschen führen kann.
 
Durch die Isolierung von GND können Schaltkreise unabhängig arbeiten, um empfindliche Geräte zu schützen. Floating Ground wird oft als Mittel zur genauen Messung des Laststroms beschrieben. Dabei handelt es sich nicht um eine Art von GND, sondern nur um eine Bedingung, die anzuwenden ist, wenn GND ein Problem darstellt.

Critical Conceptual Clarifications of GND in Circuit

GND vs. AGND (Analog Ground)

  • Relation: AGND stands for a particular subset of the total GND system. In schematics, “GND” symbolizes the generic term, whereas “AGND” represents the isolated area earmarked for analog devices in the mixed-signal PCB layout.
  • Distinction: The general ground network can introduce noise, while AGND is designed to behave noiselessly. The manner in which these grounds are coupled together, frequently through a single point of connection or star point, represents an important design trade-off in eliminating ground noise issues in analog circuits.

GND (Circuit Ground) vs. Earth Ground

  • Key Difference: Circuit GND is an electrical reference point, a local “0V” that can be floating. Grounding can refer to the connection of electrical devices to the earth in terms of safety aspects.
  • Functional Difference: It works using the internal GND of the circuit. In most circuits, when current flows, it does not go through the Earth. The chassis of the circuit is attached to the Earth for safety.

GND vs. Power Supply Negative (-) Terminal

  • Role Definition: GND represents the reference plane of the system, while the Power Supply Negative represents an Energy return port.
  • Practical Application:
    • In single supply circuits, such as +5 V supplies, the negative lead is usually considered the system ground; essentially, they are the same.
    • In a dual-supply or bipolar supply system (for example, ±12 V), the ground (GND) is fixed at the midpoint between the two supplies. It is not the same as V- or V+ terminals.

Is GND Positive or Negative?

  • Core Principle: The polarity of GND is relative because it depends upon its role in the system.
  • Analysis:
    • In a positive-supply-only system, GND denotes the most negative point and the lowest potential.
    • In a negative-supply-only system, GND symbolizes the maximum potential or the most positive point.
    • In a bipolar supply system, GND is the reference between the two.
  • Fazit: GND itself is neither positive nor negative; it is referenced as the 0-volt reference point, and all other points in the circuit are labeled as positive or negative relative to GND.
GND im Stromkreis

Professional GND Implementation in PCB Design

Grounding Methodologies

  • Single-Point Grounding: Used in low-frequency analog designs (< 1MHz). It eliminates ground loops and common-impedance noise by grounding all ground points at a single point.
  • Multi-Point Grounding & Ground Planes: These are necessary in high-frequency digital and RF designs above 10 MHz. Ground planes offer the lowest possible impedance return path, reduce the area of loops, and offer shielding in addition; these are the standards of today’s Hochgeschwindigkeitsdesigns.
  • Hybrid Grounding: Used in mixed-signal circuits, where analog ground (AGND) and digital ground (DGND) are interconnected at a single point. It ensures that there is no noise coupling, but at the same time, it maintains the high-frequency return path.

Core Design Principles

  • Keep Low Impedance: Solid ground planes are preferred whenever possible; wide Spuren can be employed for power grounds.
  • Control Return Currents: Think about the return path of the high-speed signals, usually under the signal trace. Don’t cut or moat through the return path.
  • Manage Currents: Keep high-noise power return current paths away from low-noise signal return current paths, and layout the PCB so that there are no shared ground paths.

Mechanisms of Common GND-Related Problems

  • Common-Impedance Coupling:It happens when both circuits share the same ground trace segment. Noise current from the “noisy” circuit (e.g., a digital IC) causes a corresponding voltage drop in the shared impedance, which manifests as an error signal in the “quiet” circuit (e.g., a sensor).
  • Ground Bounce: In digital VLSI circuits, the inductance due to package leads or bonds can cause ground bounce when many outputs change at the same time (e.g., a data bus), resulting in logical errors and increased EMI.
  • Ground Loops: Form when a system is grounded at multiple points, creating a large loop area. Alternating magnetic fields can induce circulating currents in this loop, which manifest as hum (50/60 Hz) or other noise in sensitive analog signals.

Fehlerbehebung bei GND-Problemen

Es kann verschiedene Probleme mit der Erdung geben, z.B. eine schlechte Verbindung oder Erdschleifen. Eine Möglichkeit, diese Probleme zu beheben, besteht darin, die Erdungsleiter auf Anzeichen von Schäden zu überprüfen. Wenn sie nicht rechtzeitig gewartet oder repariert werden, sind sie nicht in der Lage, eine ordnungsgemäße GND-Verbindung herzustellen.
 
Next, check if all bonds (bonding connections) throughout the PCB and other circuits are reinforced or replaced (if broken). Regularly test ground fault circuit interrupters (GFCIs) to check if they’re automatically disconnecting power whenever there’s a fault. These practices can prevent serious damage to man and machine.
 
There are several techniques to measure and trace the exact spot of the issue in GND. You can use a resistance meter, a circuit tracer, or an ohmmeter. Resistance meter is to check the resistance from the positive to negative points. A safe value would be somewhere between 0.5 to 2 ohms.
 
Sie können Probleme entlang des GND-Pfads auch mit einem Circuit Tracer aufspüren, indem Sie Signale durch den Schaltkreis senden und dann empfangen. Ein Ohmmeter kann Ihnen helfen, den genauen Schaltkreis zu finden, der das Problem verursacht.

Fazit

The knowledge of electronic design involves understanding the hierarchical nature of GND, distinguishing between its conceptual representations, and practicing the low-impedance, controlled-return current path on a PCB. It can all begin by stepping away from the simplistic definition of GND as simply 0 V and recognizing its existence as a basic reference and return ground. With such understanding, effective high-performance, compliant, and robust electronic designs can be developed.
 
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FAQs about GND in Circuit

In a single-supply system, yes, the negative terminal is typically defined as the system GND. However, in systems with bipolar supplies (e.g., ±12V), GND is an independent reference point between the positive and negative rails.
We separate them to prevent the high-frequency, noisy currents from the digital circuitry from flowing through the same copper as the analog ground, which would corrupt the sensitive analog reference voltage and degrade performance.
A solid ground plane minimizes the impedance of return paths, which helps. However, ground loops can still form at a larger system level—for example, when two grounded devices are connected by a cable. The resulting large loop area can still pick up interference.
This often points to a missing or poor Earth ground connection. The bench supply may be floating, while the wall adapter connects to Earth. This change can create ground loops or alter the common-mode operating point of your circuit. Always ensure your chassis is properly connected to Earth.

Wir würden uns freuen, von Ihnen zu hören

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