前言

很少有電子學主題像接地主題那樣產生如此多的錯誤信息和混亂。本文的目的是闡明什么是基礎，以及為什么它如此重要。

地面是土豆和胡蘿卜

接地可能是一個如此令人困惑的話題的原因之一是該術語被過度濫用。根據上下文，它可能意味著微妙不同但相關的事物。正是出于這個原因，一些工程師不喜歡這個術語，并創造了像本節標題這樣的短語。要了解接地，讓我們首先定義返回路徑，一旦我們了解了返回路徑，那么就很容易理解接地。

圖 1. 每個正常工作的電路都是一個閉環，總有辦法回到源頭

圖 1 顯示了一個非常簡單的電路。正如您所看到的，有電流離開電池流過電阻器，流過 LED，然后返回電池。為了使任何電路發揮作用，它必須是一個閉合電路，必須始終有一種方法可以讓電流返回源頭。無論電路變得多么復雜，總會有一個或多個走線或一個平面作為電流返回源的返回路徑。

在幾乎所有電路中，這些返回路徑統稱為“地”。問題在于“地”一詞也用于定義電路的參考點。在大多數情況下，兩者是一致的（圖 2），一切都很清楚，但情況并非總是如此（圖 3）。參考點是必要的，因為沒有絕對零電壓之類的東西。當您測量電壓時，它始終與您設計中的某個參考節點相關，并且不一定必須位于返回路徑上。事實上，從理論上講，電路中的任何節點都可以作為參考節點，但是由于我們稍后會討論的原因，有些節點比其他節點要好。我相信您已經開始看到這會變得令人困惑，我們使用相同的術語來指代兩個不同的概念。

圖 2. 參考點和返回路徑在同一個節點上，非常自然和典型。

圖 3. 參考點和返回路徑不一致，在復雜的電路中可能是一個令人困惑的噩夢。

在復雜的電路中，我們可以有許多返回路徑，其中一些有時被分組為不同的理由。這意味著什么？畢竟，您可能想知道，幾段前我說過所有返回路徑最終都必須返回源頭，而這里我們可能會出現矛盾。請看圖 4，我們將一起解決這個問題。

圖 4. 不同地的子電路最終都回源

在圖 4 中，您可以觀察到至少 3 個不同的地面。有一個模擬地 (AGND)、一個數字地 (DGND) 和一個通用地 (GND) [我想讓你知道的第一件事是，我為了教育目的制作了這個原理圖，你不會指出返回路徑像我在這里做的那樣使用厚網到源頭。就目前而言，它不是有效的 EAGLE 原理圖，我只是使用 EAGLE 來繪制]。請注意，三個不同的接地確實返回到源，所以這是一個有效的電路。但是，如果最終它們都只是要返回源頭，為什么要分開它們呢？快速的答案是通過將返回路徑分組為三個接地，我們可以將一個電路中的噪聲電流與其他電路隔離。例如，流經 AGND 電路的電流僅流經連接到 AGND 的那些組件。通過以這種方式設計電路，電流只會在源頭處相互影響。使用我們之前的定義，我們可以看到所有返回路徑都返回到源頭，只是它們的排列經過精心設計，可以在三個電路之間提供一定的抗噪性。

接地、機箱和信號接地。不同名字的玫瑰有了我們的新定義，讓我們分析一些常用的“理由”，我們會發現它們都以相同的方式工作。它們在應用程序的上下文中得到不同的名稱。

接地

地球（我們腳下的土壤，而不是地球）被認為是無限的電子源，并定義了我們家中所有電線的參考點（見圖 5）。實際上，這條返回路徑是通過將金屬棒插入地面并確保我們家中的所有“接地”線路牢固地連接（連接）到它來“連接”的。

圖 5. 接地棒，連接到房屋并插入大地。因此，接地。

底盤接地

當設備的金屬外殼被定義為電路的參考點時，這種類型的接地就得名了。這就是汽車（參見圖 6）、洗衣機或任何其他具有導電外殼的設備的情況。使用外殼的底盤和大地作為參考點的主要原因與安全有關。我們的身體幾乎總是處于地球電位（或幾乎如此）。想象一下，在您要洗衣服的那一刻，洗衣機內的所有電子設備都連接到機箱（機箱接地），機箱連接到插座的接地插頭（接地）。如果洗衣機內的高壓線與底盤短路會怎樣？圖 7 給出了答案。

圖 6. 連接到汽車底盤的電池負極端子。定義汽車中所有電子設備的參考節點。

圖 7. 當大地和機箱接地連接時，電流的返回路徑會避開人體，確保您的安全。

如您所見，如果使用機箱和大地接地，則返回路徑可以保證在故障期間避免人體接觸洗衣機外殼。同樣，如果我們考慮返回路徑，您會看到在此示例中，機箱接地和接地從返回路徑到交流電源。這樣可以避免您的身體和洗衣機外殼之間的電位差，這會導致電流流過您的身體。讓我們重復這個場景，如果由于某種原因洗衣機的底盤沒有接地會發生什么？圖 8 顯示了痛苦的結果。

圖 8. 接地連接斷開，您現在是返回路徑的一部分。

在這種情況下，您不是一個快樂的露營者，因為與大地的連接已被切斷，交流電流只有一條可行的返回路徑，您。在這種情況下，當您接觸洗衣機外殼時，您會感到震驚。更糟糕的是，電流通常不足以使斷路器跳閘，您可能會長時間受到電擊。通過明智地選擇參考節點，可以設置返回路徑以確保您的安全。您已經意識到將這些節點命名為“接地”會混淆對這些安全措施如何工作的理解。

信號地

這是最常見的名稱，它基本上是我們 PCB 上電路參考節點的定義。通常它是使用接地層物理實現的，這樣在我們的設計中就有一條低阻抗返回到電源的路徑（參見圖 9）。這一點很重要，否則電路板上的不同“地”可能處于不同的電位（參考節點在各處的值不同），這可能導致電路發生故障或無法工作。

圖 9. 看到整個 PCB 布局中的純紅色了嗎？那是所有組件的銅平面返回路徑（信號地）。

你真的需要地面嗎

正如我們所了解的，每個電氣系統都需要至少一條返回電源的返回路徑，因此從這個意義上說，所有電路都需要“接地”。通常，這個“地”也將用作參考節點，可以測量電路中的所有電壓。然而，并非所有電路都連接到線路電壓（即電池供電的設備），因此它們并不都需要接地“接地”或更準確地說是通過接地的返回路徑。同樣，非導電外殼中的設備也不需要機箱返回路徑以確保安全。我們需要的是能夠將這些路徑稱為其他名稱以避免與地面混淆，但這超出了本文的范圍。

既然您知道了這些類型的“接地”是什么，那么能夠在原理圖中識別它們非常重要，這樣您的電子設備才能以安全的方式正常工作。您將在下面找到表示信號、機箱和接地的最常用符號。雖然這些是標準符號，但您可能會遇到與它們不同的原理圖。如果發生這種情況，請務必驗證。這樣做將確保您是安全的。

我們希望這篇文章有助于澄清關于“地面”是什么的一些困惑。該術語已加載，并且根據上下文可以引用返回路徑、引用節點或兩者。請記住，這只是冰山一角，整本書都是關于“理由”以及如何在各種應用程序中實現返回路徑的。您可能想查看我們最近舉辦的網絡研討會：PCB 設計信號完整性簡介。

您現在有了理解這些書籍并在電路中做出正確設計決策的基礎。通過仔細設計返回路徑，您可以最大限度地減少電路不同部分之間的串擾，并確保產品用戶的安全，這將有助于您在晚上睡覺。玩得開心設計并記住地面是土豆和胡蘿卜的！

審核編輯：湯梓紅