一文详细了解接地

前言

很少有电子学主题像接地主题那样产生如此多的错误信息和混乱。本文的目的是阐明什么是基础，以及为什么它如此重要。

地面是土豆和胡萝卜

接地可能是一个如此令人困惑的话题的原因之一是该术语被过度滥用。根据上下文，它可能意味着微妙不同但相关的事物。正是出于这个原因，一些工程师不喜欢这个术语，并创造了像本节标题这样的短语。要了解接地，让我们首先定义返回路径，一旦我们了解了返回路径，那么就很容易理解接地。

图 1. 每个正常工作的电路都是一个闭环，总有办法回到源头

图 1 显示了一个非常简单的电路。正如您所看到的，有电流离开电池流过电阻器，流过 LED，然后返回电池。为了使任何电路发挥作用，它必须是一个闭合电路，必须始终有一种方法可以让电流返回源头。无论电路变得多么复杂，总会有一个或多个走线或一个平面作为电流返回源的返回路径。

在几乎所有电路中，这些返回路径统称为“地”。问题在于“地”一词也用于定义电路的参考点。在大多数情况下，两者是一致的（图 2），一切都很清楚，但情况并非总是如此（图 3）。参考点是必要的，因为没有绝对零电压之类的东西。当您测量电压时，它始终与您设计中的某个参考节点相关，并且不一定必须位于返回路径上。事实上，从理论上讲，电路中的任何节点都可以作为参考节点，但是由于我们稍后会讨论的原因，有些节点比其他节点要好。我相信您已经开始看到这会变得令人困惑，我们使用相同的术语来指代两个不同的概念。

图 2. 参考点和返回路径在同一个节点上，非常自然和典型。

图 3. 参考点和返回路径不一致，在复杂的电路中可能是一个令人困惑的噩梦。

在复杂的电路中，我们可以有许多返回路径，其中一些有时被分组为不同的理由。这意味着什么？毕竟，您可能想知道，几段前我说过所有返回路径最终都必须返回源头，而这里我们可能会出现矛盾。请看图 4，我们将一起解决这个问题。

图 4. 不同地的子电路最终都回源

在图 4 中，您可以观察到至少 3 个不同的地面。有一个模拟地 (AGND)、一个数字地 (DGND) 和一个通用地 (GND) [我想让你知道的第一件事是，我为了教育目的制作了这个原理图，你不会指出返回路径像我在这里做的那样使用厚网到源头。就目前而言，它不是有效的 EAGLE 原理图，我只是使用 EAGLE 来绘制]。请注意，三个不同的接地确实返回到源，所以这是一个有效的电路。但是，如果最终它们都只是要返回源头，为什么要分开它们呢？快速的答案是通过将返回路径分组为三个接地，我们可以将一个电路中的噪声电流与其他电路隔离。例如，流经 AGND 电路的电流仅流经连接到 AGND 的那些组件。通过以这种方式设计电路，电流只会在源头处相互影响。使用我们之前的定义，我们可以看到所有返回路径都返回到源头，只是它们的排列经过精心设计，可以在三个电路之间提供一定的抗噪性。

接地、机箱和信号接地。不同名字的玫瑰有了我们的新定义，让我们分析一些常用的“理由”，我们会发现它们都以相同的方式工作。它们在应用程序的上下文中得到不同的名称。

接地

地球（我们脚下的土壤，而不是地球）被认为是无限的电子源，并定义了我们家中所有电线的参考点（见图 5）。实际上，这条返回路径是通过将金属棒插入地面并确保我们家中的所有“接地”线路牢固地连接（连接）到它来“连接”的。

图 5. 接地棒，连接到房屋并插入大地。因此，接地。

底盘接地

当设备的金属外壳被定义为电路的参考点时，这种类型的接地就得名了。这就是汽车（参见图 6）、洗衣机或任何其他具有导电外壳的设备的情况。使用外壳的底盘和大地作为参考点的主要原因与安全有关。我们的身体几乎总是处于地球电位（或几乎如此）。想象一下，在您要洗衣服的那一刻，洗衣机内的所有电子设备都连接到机箱（机箱接地），机箱连接到插座的接地插头（接地）。如果洗衣机内的高压线与底盘短路会怎样？图 7 给出了答案。

图 6. 连接到汽车底盘的电池负极端子。定义汽车中所有电子设备的参考节点。

图 7. 当大地和机箱接地连接时，电流的返回路径会避开人体，确保您的安全。

如您所见，如果使用机箱和大地接地，则返回路径可以保证在故障期间避免人体接触洗衣机外壳。同样，如果我们考虑返回路径，您会看到在此示例中，机箱接地和接地从返回路径到交流电源。这样可以避免您的身体和洗衣机外壳之间的电位差，这会导致电流流过您的身体。让我们重复这个场景，如果由于某种原因洗衣机的底盘没有接地会发生什么？图 8 显示了痛苦的结果。

图 8. 接地连接断开，您现在是返回路径的一部分。

在这种情况下，您不是一个快乐的露营者，因为与大地的连接已被切断，交流电流只有一条可行的返回路径，您。在这种情况下，当您接触洗衣机外壳时，您会感到震惊。更糟糕的是，电流通常不足以使断路器跳闸，您可能会长时间受到电击。通过明智地选择参考节点，可以设置返回路径以确保您的安全。您已经意识到将这些节点命名为“接地”会混淆对这些安全措施如何工作的理解。

信号地

这是最常见的名称，它基本上是我们 PCB 上电路参考节点的定义。通常它是使用接地层物理实现的，这样在我们的设计中就有一条低阻抗返回到电源的路径（参见图 9）。这一点很重要，否则电路板上的不同“地”可能处于不同的电位（参考节点在各处的值不同），这可能导致电路发生故障或无法工作。

图 9. 看到整个 PCB 布局中的纯红色了吗？那是所有组件的铜平面返回路径（信号地）。

你真的需要地面吗

正如我们所了解的，每个电气系统都需要至少一条返回电源的返回路径，因此从这个意义上说，所有电路都需要“接地”。通常，这个“地”也将用作参考节点，可以测量电路中的所有电压。然而，并非所有电路都连接到线路电压（即电池供电的设备），因此它们并不都需要接地“接地”或更准确地说是通过接地的返回路径。同样，非导电外壳中的设备也不需要机箱返回路径以确保安全。我们需要的是能够将这些路径称为其他名称以避免与地面混淆，但这超出了本文的范围。

既然您知道了这些类型的“接地”是什么，那么能够在原理图中识别它们非常重要，这样您的电子设备才能以安全的方式正常工作。您将在下面找到表示信号、机箱和接地的最常用符号。虽然这些是标准符号，但您可能会遇到与它们不同的原理图。如果发生这种情况，请务必验证。这样做将确保您是安全的。

我们希望这篇文章有助于澄清关于“地面”是什么的一些困惑。该术语已加载，并且根据上下文可以引用返回路径、引用节点或两者。请记住，这只是冰山一角，整本书都是关于“理由”以及如何在各种应用程序中实现返回路径的。您可能想查看我们最近举办的网络研讨会：PCB 设计信号完整性简介。

您现在有了理解这些书籍并在电路中做出正确设计决策的基础。通过仔细设计返回路径，您可以最大限度地减少电路不同部分之间的串扰，并确保产品用户的安全，这将有助于您在晚上睡觉。玩得开心设计并记住地面是土豆和胡萝卜的！

审核编辑：汤梓红