地線在電子產(chǎn)品中是如何工作的？

很少有電子學(xué)主題像接地主題那樣產(chǎn)生如此多的錯(cuò)誤信息和混亂。本文的目的是闡明什么是基礎(chǔ)，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(gè)如此令人困惑的話(huà)題的原因之一是該術(shù)語(yǔ)被過(guò)度濫用。根據(jù)上下文，它可能意味著微妙不同但相關(guān)的事物。正是出于這個(gè)原因，一些工程師不喜歡這個(gè)術(shù)語(yǔ)，并創(chuàng)造了像本節(jié)標(biāo)題這樣的短語(yǔ)。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(gè)正常工作的電路都是一個(gè)閉環(huán)，總有辦法回到源頭

圖 1 顯示了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的電路。正如您所看到的，有電流離開(kāi)電池流過(guò)電阻器，流過(guò) LED，然后返回電池。為了使任何電路發(fā)揮作用，它必須是一個(gè)閉合電路，必須始終有一種方法可以讓電流返回源頭。無(wú)論電路變得多么復(fù)雜，總會(huì)有一個(gè)或多個(gè)走線或一個(gè)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(tǒng)稱(chēng)為“地”。問(wèn)題在于“地”一詞也用于定義電路的參考點(diǎn)。在大多數(shù)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(diǎn)是必要的，因?yàn)闆](méi)有絕對(duì)零電壓之類(lèi)的東西。當(dāng)您測(cè)量電壓時(shí)，它始終與您設(shè)計(jì)中的某個(gè)參考節(jié)點(diǎn)相關(guān)，并且不一定必須位于返回路徑上。事實(shí)上，從理論上講，電路中的任何節(jié)點(diǎn)都可以作為參考節(jié)點(diǎn)，但是由于我們稍后會(huì)討論的原因，有些節(jié)點(diǎn)比其他節(jié)點(diǎn)要好。我相信您已經(jīng)開(kāi)始看到這會(huì)變得令人困惑，我們使用相同的術(shù)語(yǔ)來(lái)指代兩個(gè)不同的概念。

圖 2. 參考點(diǎn)和返回路徑在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，非常自然和典型。

圖 3. 參考點(diǎn)和返回路徑不一致，在復(fù)雜的電路中可能是一個(gè)令人困惑的噩夢(mèng)。

在復(fù)雜的電路中，我們可以有許多返回路徑，其中一些有時(shí)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(shuō)過(guò)所有返回路徑最終都必須返回源頭，而這里我們可能會(huì)出現(xiàn)矛盾。請(qǐng)看圖 4，我們將一起解決這個(gè)問(wèn)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(gè)不同的地面。有一個(gè)模擬地 (AGND)、一個(gè)數(shù)字地 (DGND) 和一個(gè)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(gè)原理圖，你不會(huì)指出返回路徑像我在這里做的那樣使用厚網(wǎng)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(lái)繪制]。請(qǐng)注意，三個(gè)不同的接地確實(shí)返回到源，所以這是一個(gè)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(kāi)它們呢？快速的答案是通過(guò)將返回路徑分組為三個(gè)接地，我們可以將一個(gè)電路中的噪聲電流與其他電路隔離。例如，流經(jīng) AGND 電路的電流僅流經(jīng)連接到 AGND 的那些組件。通過(guò)以這種方式設(shè)計(jì)電路，電流只會(huì)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(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可以在三個(gè)電路之間提供一定的抗噪性。

接地、機(jī)箱和信號(hào)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(huì)發(fā)現(xiàn)它們都以相同的方式工作。它們?cè)趹?yīng)用程序的上下文中得到不同的名稱(chēng)。

地球（我們腳下的土壤，而不是地球）被認(rèn)為是無(wú)限的電子源，并定義了我們家中所有電線的參考點(diǎn)（見(jiàn)圖 5）。實(shí)際上，這條返回路徑是通過(guò)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(lái)“連接”的。

圖 5. 接地棒，連接到房屋并插入大地。因此，接地。

當(dāng)設(shè)備的金屬外殼被定義為電路的參考點(diǎn)時(shí)，這種類(lèi)型的接地就得名了。這就是汽車(chē)（參見(jiàn)圖 6）、洗衣機(jī)或任何其他具有導(dǎo)電外殼的設(shè)備的情況。使用外殼的底盤(pán)和大地作為參考點(diǎn)的主要原因與安全有關(guān)。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(jī)內(nèi)的所有電子設(shè)備都連接到機(jī)箱（機(jī)箱接地），機(jī)箱連接到插座的接地插頭（接地）。如果洗衣機(jī)內(nèi)的高壓線與底盤(pán)短路會(huì)怎樣？圖 7 給出了答案。

圖 6. 連接到汽車(chē)底盤(pán)的電池負(fù)極端子。定義汽車(chē)中所有電子設(shè)備的參考節(jié)點(diǎn)。

圖 7. 當(dāng)大地和機(jī)箱接地連接時(shí)，電流的返回路徑會(huì)避開(kāi)人體，確保您的安全。

如您所見(jiàn)，如果使用機(jī)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(jī)外殼。同樣，如果我們考慮返回路徑，您會(huì)看到在此示例中，機(jī)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(jī)外殼之間的電位差，這會(huì)導(dǎo)致電流流過(guò)您的身體。讓我們重復(fù)這個(gè)場(chǎng)景，如果由于某種原因洗衣機(jī)的底盤(pán)沒(méi)有接地會(huì)發(fā)生什么？圖 8 顯示了痛苦的結(jié)果。

圖 8. 接地連接斷開(kāi)，您現(xiàn)在是返回路徑的一部分。

在這種情況下，您不是一個(gè)快樂(lè)的露營(yíng)者，因?yàn)榕c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(dāng)您接觸洗衣機(jī)外殼時(shí)，您會(huì)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(huì)長(zhǎng)時(shí)間受到電擊。通過(guò)明智地選擇參考節(jié)點(diǎn)，可以設(shè)置返回路徑以確保您的安全。您已經(jīng)意識(shí)到將這些節(jié)點(diǎn)命名為“接地”會(huì)混淆對(duì)這些安全措施如何工作的理解。

這是最常見(jiàn)的名稱(chēng)，它基本上是我們 PCB 上電路參考節(jié)點(diǎn)的定義。通常它是使用接地層物理實(shí)現(xiàn)的，這樣在我們的設(shè)計(jì)中就有一條低阻抗返回到電源的路徑（參見(jiàn)圖 9）。這一點(diǎn)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(jié)點(diǎn)在各處的值不同），這可能導(dǎo)致電路發(fā)生故障或無(wú)法工作。

圖 9. 看到整個(gè) 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(hào)地）。

正如我們所了解的，每個(gè)電氣系統(tǒng)都需要至少一條返回電源的返回路徑，因此從這個(gè)意義上說(shuō)，所有電路都需要“接地”。通常，這個(gè)“地”也將用作參考節(jié)點(diǎn)，可以測(cè)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(shè)備），因此它們并不都需要接地“接地”或更準(zhǔn)確地說(shuō)是通過(guò)接地的返回路徑。同樣，非導(dǎo)電外殼中的設(shè)備也不需要機(jī)箱返回路徑以確保安全。我們需要的是能夠?qū)⑦@些路徑稱(chēng)為其他名稱(chēng)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(lèi)型的“接地”是什么，那么能夠在原理圖中識(shí)別它們非常重要，這樣您的電子設(shè)備才能以安全的方式正常工作。您將在下面找到表示信號(hào)、機(jī)箱和接地的最常用符號(hào)。雖然這些是標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，但您可能會(huì)遇到與它們不同的原理圖。如果發(fā)生這種情況，請(qǐng)務(wù)必驗(yàn)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(guān)于“地面”是什么的一些困惑。該術(shù)語(yǔ)已加載，并且根據(jù)上下文可以引用返回路徑、引用節(jié)點(diǎn)或兩者。請(qǐng)記住，這只是冰山一角，整本書(shū)都是關(guān)于“理由”以及如何在各種應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)返回路徑的。您可能想查看我們最近舉辦的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)：PCB 設(shè)計(jì)信號(hào)完整性簡(jiǎn)介。

您現(xiàn)在有了理解這些書(shū)籍并在電路中做出正確設(shè)計(jì)決策的基礎(chǔ)。通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)返回路徑，您可以最大限度地減少電路不同部分之間的串?dāng)_，并確保產(chǎn)品用戶(hù)的安全，這將有助于您在晚上睡覺(jué)。玩得開(kāi)心設(shè)計(jì)并記住地面是土豆和胡蘿卜的！