전기회로의 접지

회로 접지란

엔지니어는 모든 전자 회로에서 "접지"라는 단어를 사용하여 "중성" 또는 전위가 없는 시스템 또는 구조의 일부를 나타냅니다. 안타깝게도 우리는 종종 회로와 시스템, 특히 아날로그와 디지털 신호가 모두 있는 회로와 시스템에 둘 이상의 접지가 있다고 생각합니다.

 

접지의 종류

• 디지털 접지
• 아날로그 접지
• 섀시 접지
• 안전 접지
• 어스 접지

 

접지 방법

이러한 다양한 "접지"를 연결하기 위해 제안된 방법은 다음을 포함하는 광범위한 옵션을 포함합니다

• 한 지점에서만 연결합니다.
• 혼합 신호 구성 요소 아래에서 접지면 절단
• 커패시터와 연결
• 설계의 아날로그 측면과 디지털 측면 사이의 한 곳에 좁은 연결만 있도록 PCB에서 접지면을 분리
• 아날로그와 디지털 접지를 분리

 

디지털 접지

디지털 로직 접지는 디지털 로직을 위한 전원 공급 장치의 "기준" 단자입니다. 대부분의 디지털 로직 시스템의 경우 로직 전원 공급 장치의 음극 단자이며 일반적으로 그림 1의 기호로 표시됩니다.

 

그림 1 회로도에서 볼 수 있는 디지털 로직 접지 기호.

 

아날로그 접지

아날로그 접지는 아날로그 회로에 전원을 공급하는 공급 장치의 기준 단자입니다. 아날로그 신호 소스의 한쪽이 묶여 있는 곳입니다. 신호 소스의 다른 쪽은 아날로그 입력 또는 출력에 연결됩니다. 아날로그 접지는 일반적으로 그림 2의 기호로 지정됩니다.

 

그림 2 아날로그 접지 회로도 기호

 

 

섀시 접지

섀시 접지는 AC 주전원에서 제품 케이스로 안전 와이어를 연결할 때 붙여진 이름입니다. 제품의 케이스를 종종 섀시라고 부르기 때문에 이 이름을 불립니다. 이 와이어는 일반적으로 연장 코드, 제품에 연결되는 3선 주전원 또는 AC 커넥터의 세 번째 핀(둥근 핀)의 녹색 와이어입니다.

 

이 녹색 와이어를 건물을 통해 따라가면 마침내 어스접지로 연결되어 구리 말뚝에 연결됩니다. 이 연결의 목적은 주전원 전선 중 하나가 실수로 제품의 케이스 또는 "섀시"에 연결되는 경우 제품 작업자를 보호하는 것입니다. 따라서 안전 전용 기능입니다.

 

그림 3 "섀시" 접지 개략도 기호

 

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안전 접지

안전 접지는 섀시 접지를 설명하는 데 사용되는 또 다른 이름입니다. 접지는 안전 접지의 또 다른 이름입니다.

이 모든 이름은 "접지" 회로(복귀 경로)를 연결하는 방법 또는 처음부터 함께 연결해야 하는지에 대한 질문으로 이어집니다. 이 질문은 일반적으로 외부 노이즈 소스로부터 민감한 아날로그 신호를 보호하는 방법 또는 EMI를 포함하는 방법에 대해 발생합니다.

 

 

아날로그 신호 처리

아날로그 신호 문제를 먼저 살펴보면 신호 성능을 저하시킬 수 있는 외부 노이즈 소스로부터 아날로그 신호를 보호해야 합니다. 

그림 4는 아날로그 접지 핀과 디지털 접지 핀이 모두 있는 회로의 양면을 보여주는 일반적인 아날로그 및 디지털 혼합 IC의 예입니다. 혼합 신호 전자 장치를 설계할 때 발생하는 대부분의 문제를 나타냅니다.

빨간색 강조 표시는 "아날로그 의사 결정 루프"를 나타냅니다. 이것은 회로가 제대로 작동하기 위해 외부 노이즈 소스로부터 보호되어야 하는 회로입니다. IC에는 아날로그 "접지" 핀과 디지털 "접지" 핀이 있습니다.

 

적절한 PCB 설계에 도달하려면 이러한 핀을 적용하는 방법을 이해해야 합니다. 이 혼합 신호 IC의 디지털 측에는 접지 리드를 통해 흐르는 과도 전류가 있습니다. 이러한 전류는 아날로그 신호의 내부 디지털 처리와 관련이 있으며 IC의 출력 전송 라인을 구동합니다. 로직 레벨이 8.2V인 로직 시스템의 5비트 A/D 컨버터인 경우 이 경로에 흐르는 과도 전류는 최대 200mA가 될 수 있습니다.

 

이 접지 리드 인덕턴스를 통해 흐르는  전류 또는 빠르게 변화하는 전류는 PCB의 접지와 다이의 접지 사이에 최대 100mV의 과도 전압을 발생시킬 수 있습니다. 이는 논리 회로에 허용되는 과도 현상입니다.

회로가 12비트 A/D 컨버터인 경우 회로의 아날로그 측은 0V의 총 신호 스윙 중 5.2mV의 전압 차이를 해결해야 합니다. IC에서 접지 경로가 하나만 있는 경우 100mV 디지털 스위칭 과도 상태가 아날로그 신호에 중첩되어 회로를 쓸모 없게 만듭니다. 이것이 IC의 아날로그 측이 패키지에서 별도의 접지 경로를 갖는 이유입니다.

 

그림 4는 아날로그 접지면과 디지털 접지면을 명시하는 어플리케이션 노트 또는 기타 가이드라인이 있는 회로의 전형적인 예로서, 아날로그 신호 루프를 외부 잡음으로부터 보호하는 실제 엔지니어링 문제를 약화시킵니다.

(참고: 그림 4의 전류 흐름 화살표 방향은 전류 흐름을 구성하는 전자의 흐름입니다.)

그림 4 아날로그-디지털 변환기에는 일반적으로 아날로그 및 신호 반환을 위한 별도의 핀이 있습니다.

 

구성요소 아래에서 지표 평면을 분할하면 원치 않는 부작용이 발생합니다. 절단의 한 쪽에서 다른 쪽으로 교차해야 하는 신호에는 반환 전류에 대한 경로가 없습니다. 이 전류는 소스로 돌아가는 또 다른 방법을 찾아 신호 무결성 또는 EMI 문제를 일으킬 수 있습니다.

 

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소음 및 누화

노이즈는 두 가지 방식으로 아날로그 신호 루프에 들어갑니다.

첫 번째는 너무 가까이 이동하는 인접 신호의 용량성 또는 자기 결합에 의해 루프의 양쪽에 결합하는 것입니다(일반적으로 이를 누화라고 함). EM 필드의 전기 성분(capacitive crosstalk) 또는 EM 필드의 자기 성분(inductive crosstalk)에 의해 크로스토크가 생성될 수 있다. 어떤 형태가 존재하는지는 서로 옆에 있는 두 컨덕터의 구성에 따라 다릅니다.)

 

노이즈가 아날로그 회로에 영향을 줄 수 있는 두 번째 방법은 경로의 "접지" 쪽을 다른 신호와 공유하도록 허용하는 것입니다. 이것은 일반적으로 아날로그 소스와 장치의 아날로그 "접지" 핀 사이의 연결이 부품에서 약간 떨어진 접지면에 이루어질 때 발생합니다.

 

대부분의 경우 이 두 가지 문제는 IC의 단자에 두 개의 연결이 있는 차폐 케이블을 사용하여 해결되며, 하나는 장치의 "아날로그 접지" 단자에 연결되는 차폐 및 아날로그 장치의 입력 측에 연결되는 중심 도체입니다. 이러한 유형의 회로의 예는 다음과 같습니다.

• 디스크 드라이브의 읽기 헤드와 프리앰프 간의 연결
• 스트레인 게이지와 입력 증폭기 간의 연결
• 축음기 바늘과 입력 프리앰프 사이의 연결

그림 4의 예는 아날로그 소스가 '오프보드'인 시스템을 다룬다. 소스와 부하가 모두 동일한 PCB에 있을 때 "아날로그 루프"를 처리하는 적절한 방법은 루프가 어디에 있는지 살펴보고 성능을 저하시킬 수 있는 회로의 "접지" 부분에서 누화 및 전압 구배로부터 루프를 보호하는 레이아웃을 선택하는 것입니다. 거의 모든 경우에 이 문제는 아날로그 의사 결정 루프가 있는 영역을 통해 다른 회로의 전류가 흐르지 않도록 PCB 표면에 구성 요소를 조심스럽게 배치하도록 선택하여 처리됩니다. 이러한 유형의 회로의 예로는 라디오 또는 스테레오 시스템의 증폭기 스테이지 간의 연결이 있습니다