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Índice

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

What is GND in Circuit

Introdução

O GND num circuito representa um ponto comum onde a corrente eléctrica regressa à fonte. Caso essa corrente não regresse, o GND pode literalmente salvar vidas. Uma questão premente entre a maioria dos fabricantes de eletrónica é O que é 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.
 
Tecnologia FS 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.

O que é o GND no circuito?

Em termos eléctricos, GND significa terra. Não, não é o solo em que estamos. Esta terra fornece um ponto de referência para todas as tensões numa PCB. A corrente eléctrica flui através do circuito depois de receber o sinal da carga. O terra ou GND fornece um caminho para que essa corrente retorne.
 
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.
 
Aqui, GND é um fio de cobre, alumínioou aço. Não transporta corrente até haver um defeito. Quando a corrente se desvia do seu caminho, este fio descarrega-a em segurança para a terra, evitando potenciais danos e perigos. É por esta razão que é normalmente designado por fio de terra.
GND symbols

Princípio de funcionamento do circuito de entrada GND

O conceito de GND (ligação à terra) teve origem no século XIX, quando os seres humanos se aperceberam de que a terra podia fornecer um caminho de retorno para os sinais eléctricos. O cientista alemão Carl August von Steinheil experimentou pela primeira vez este conceito num telégrafo, que era bastante popular nessa altura. No entanto, com o passar do tempo, surgiram vários problemas.
 
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.
 
Pouco depois, os telefones começaram a substituir os telégrafos. As cidades expandiram-se e foram instaladas mais linhas eléctricas e de telecomunicações. Toda a atividade electromagnética dos seres humanos criou um oceano de correntes indesejadas no interior da Terra. Este oceano de correntes induzidas produziu ruído que interferiu com os sinais e, provavelmente, continuará a interferir para toda a eternidade.
 
É por isso que o GND é fundamental nos sistemas electrónicos. Todos os componentes de uma placa de circuito impresso se comportam da forma que é suposto comportarem-se graças a ele. A corrente eléctrica começa e termina na fonte de alimentação depois de passar por todos os componentes através do GND. Sem esta ligação à terra, o circuito ficaria incompleto e o sistema eletrónico deixaria de funcionar.

Why is GND in Circuit so Important?

O GND é a razão da funcionalidade, estabilidade e segurança do circuito. Em caso de falha ou de sobretensão súbita, protege o equipamento e os utilizadores de potenciais perigos, descarregando a corrente para a terra.
 
A ligação à terra é fundamental em PCB, sistemas de energia e equipamento de telecomunicações. Proporciona uma oportunidade para criar sistemas electrónicos seguros e fiáveis, utilizando a terra, o chassis, o sinal ou qualquer outra ligação à terra viável.
 
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.

Tipos de GND no circuito

São utilizados vários tipos de GND para várias aplicações. Os mais comuns são Terra, Chassis e Sinal de Terra, mas veremos mais sobre eles.

Terra (EGND)

EGND é o tipo de ligação à terra mais utilizado nos sistemas eléctricos actuais. Envolve a ligação dos sistemas à terra real utilizando eléctrodos de terra, tais como hastes metálicas, placas e anéis. São constituídos por materiais altamente condutores como cobreaço galvanizado, aço inoxidável e aço revestido a cobre.
 
Os eléctrodos de terra são enterrados no subsolo junto ao quadro elétrico da estrutura. O GND é ligado a eles através de um condutor de terra, que é ligado ao barramento de terra dentro do mesmo painel.
 
Quase todas as estruturas urbanas, incluindo casas, escritórios e fábricas, têm EGND. Protege estes edifícios contra choques e incêndios, fornecendo um caminho seguro para que as correntes de defeito sejam descarregadas no solo.

Terra do chassis

A ligação a EGND nem sempre é possível em determinadas aplicações. Por exemplo, não é possível manter dispositivos electrónicos portáteis e automóveis ligados à terra a toda a hora. Só os ligamos à terra quando estão a ficar sem energia/bateria.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.
 
O chassis ground A ligação à terra do chassis protege o sistema de interferências electromagnéticas (EMI), que afectam o funcionamento do seu dispositivo. Embora não esteja diretamente ligado à terra, mantém o excesso de corrente afastado dos componentes do dispositivo e dos seres humanos.

Terra do sinal (SGND)

SNGD fornece um ponto de referência para os sinais que circulam entre dispositivos. Uma vez que cada dispositivo tem a sua fonte de alimentação, as suas tensões podem variar um pouco. Essa pequena diferença produz pequenas correntes que geram ruído e distorcem os sinais. O SNGD separa o caminho do sinal dessas correntes ruidosas.
 
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.

Terra analógico (AGND)

A eletrónica tem dois tipos de sinais: analógicos e digitais. Os sinais analógicos são lentos e contínuos, enquanto os sinais digitais são explosões rápidas de eletricidade. Quando os sinais digitais rápidos colidem com os analógicos, a qualidade dos sinais analógicos é afetada.
 
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.

Terra digital (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 dispositivos médicos monitor analog signals like heartbeat and convert them to digital data for diagnosis.
 
O ruído digital pode acoplar-se a estes sinais analógicos sensíveis e causar leituras imprecisas. É por isso que precisa de ser ligado à terra com DGND.

Terra de alimentação (PGND)

PGND é um ponto de terra para circuitos de alimentação e componentes de alta corrente da placa de circuito impresso. Este tipo de terra isola o ruído dos circuitos de alimentação que interrompem os sinais analógicos. É semelhante ao EGND, uma vez que também abre um caminho para as correntes em caso de falhas eléctricas. Liga várias tensões de alimentação de modo a que todos os componentes partilhem um ponto de referência.
 
Também é possível criar PGND ligando condutores a eléctrodos de terra. Protege o equipamento e as pessoas de choques eléctricos, dissipando com segurança o excesso de corrente para a terra. Se implementado corretamente, o PGND pode regular flutuações irregulares de tensão.

Terra AC (CGND)

CGND é um ponto de referência para a corrente alternada (CA) em Fonte de alimentação AC-DC circuitos. É normalmente ligado à terra DC utilizando indutores (L) ou condensadores de acoplamento (C). Ajuda a passagem de AC bloqueando os sinais DC.
 
C são filtros passa-altas com baixa resistência a frequências AC e alta resistência a DC. Quando colocados entre dois nós do circuito, isolam a parte DC e permitem que apenas a AC seja transmitida.
 
Muitos engenheiros colocam C perto da fonte de sinal para minimizar as hipóteses de queda de sinal. C também pode ser usado em conjunto com L para formar filtros LC. Isto duplica a capacidade do terra de filtrar certas frequências e deixar passar outras.

Terra de estrelas

Este tipo de ligação à terra liga vários GNDs a um único ponto em forma de estrela. Esta conceção evita que a PCB Componentes PCB de interferir uns com os outros. A EMI pode causar diafonia nos circuitos integrados quando vários condutores de alta frequência são colocados próximos uns dos outros.
 
É como um PCB de terra comum. Todos os componentes partilham um único GND para evitar interferências entre diferentes partes do circuito, para que as tensões não flutuem.

Terra flutuante

É um ponto de referência para todas as tensões num circuito isolado da terra real. A maioria dos componentes electrónicos tem GND numa placa de circuito impresso, o que significa que estão ligados à terra. No entanto, quando esta ligação à terra não é efectuada, diz-se que a terra está "flutuante".
 
Em muitas aplicações, ligar os seus dispositivos à terra pode causar sérios riscos. A terra pode transportar tensões elevadas devido a falhas na carga ou a catástrofes naturais. Estas circunstâncias podem criar picos de tensão na carga, com o risco de danificar o equipamento ou as pessoas.
 
Ao isolar o GND, os circuitos podem funcionar de forma independente para poupar equipamento sensível. A terra flutuante é frequentemente descrita como um meio de medir com precisão a corrente de carga. Este não é um tipo de GND, mas apenas uma condição a aplicar quando o GND é um problema.

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.
  • Conclusão: 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 no circuito

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 high-speed designs.
  • 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 vestígios 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.

Como solucionar problemas de GND

Pode haver vários problemas com o GND, como uma má ligação ou loops de terra. Uma forma de resolver estes problemas é verificar se os condutores de ligação à terra apresentam sinais de danos. Se não forem mantidos ou reparados atempadamente, não conseguirão estabelecer uma ligação GND correta.
 
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.
 
Também pode detetar problemas ao longo do caminho GND com um rastreador de circuitos, enviando sinais através do circuito e depois recebendo-os. O ohmímetro pode ajudá-lo a identificar o circuito exato que está a causar o problema.

Conclusão

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.

Gostaríamos muito de ouvir a sua opinião

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