大多數電子工程師很早就認識到電路接地的重要性，在多數情況下，無論遇到什麼問題，增加接地或改善接地方法(即降低阻抗)都是有好無害，這是電子工程師在工作和除錯電路原型的過程中被一再灌輸的觀念；而且，他們還學到，在某一點將類比接地連接到數位接地，可以最大程度減少不必要的接地電流和相關雜訊。

大多數情況下，接地確實可以提高電路性能，但是正如每位有經驗的工程師所知道的，規則之下總有例外，接地就是其中之一；它最大的問題在於定義不明，而且這個草率的術語與看似無辜的電壓(Voltage)有關。

為什麼會這樣？因為「接地」這個詞可能意味著以下三種電路連結中的任何一種：

• 大地接地(earth ground)，電路確實與大地連結；大地是電子的無盡來源(source)與終點(sink)。
• 共同接地(common ground)，又稱為訊號接地(signal ground)，也就是在電路中建立一個0V電位點；通常電路中會有多個0V電位點，因此這種接地常會造成很多誤導。
• 機殼接地(chassis ground)，連結電路中所有標稱0V電位點；可以接至大地，但通常無法實現，例如電池供電的可攜式裝置就無法與大地連接。因此如果並未連接到真正的大地而用了「接地」一詞，就可能產生誤導。

以上每種接地都有不同的電路符號，但在我見過的大多數電路圖都沒有區別它們，而是統一使用三角形的接地符號，除非繪圖者足夠細心(參考圖1)。

圖1：不同的接地方式也有不同的電路符號，但經常被誤用。

(來源：Autodesk)

接地一詞造成的混淆，很大程度上與另一個重要名詞相關：電壓。當有人說「A點電壓為xV」時，這種說法忽略了電壓的關鍵含義，也就是電壓只存在於兩個特定的點之間。如果要用一個更貼切的名詞來表示電壓，應該比較老派但仍沿用至今的「電位差」(potential difference)。

除非指明A點電壓是相對於另外一個點，否則說「A點電壓」，對電路的不同部分就可能表示不同的電位，當電路中存在各種接地時就更容易造成混淆。因為大地接地、機殼接地、公共接地(訊號接地)之間往往存在電位差，從幾mV到幾V不等、甚至更高。

當然，存在電位差的地方就可能產生電流，這就是另一個未嚴謹使用「接地」和「電壓」等名詞容易造成混淆的原因。電位差已是個問題，但在許多情況下，通常更重要的是由電位差引起、流經電路兩點之間的電流；這些電流在基於低壓感測器的設計中是雜訊和性能問題的根源，在某些情況下甚至可能引起致命危險，總之可能產生一系列問題。

若是良好的接地如此重要，它們怎麼可能致命？這並不是說接地本身很危險，而是一個兩階段問題：假設有一台配備金屬外殼的醫療儀器，為了安全起見，儀器採用了大地接地，因此當電流內部故障導致交流電壓短路時，產生的電流將從機殼直接導到大地，而不會流經使用者(患者)的身體再回到大地。

這似乎是一個好主意，確實也是，但總可能有壞事發生；有一種可能就是，因為電線、螺絲鬆動或腐蝕(這常會發生)，或者三相AC插頭/插座接線的大地接地不良或斷開(這也很常見)，而造成嚴重安全問題(參考圖2)。

圖2：標準三相交流電(AC)插頭具備火線、中性線和接地線；它們的顏色可能因國家/地區而有所不同，接地線通常以綠色絕緣層覆蓋或者直接裸露。但電源線、插頭、插座或主電源運作時經常沒有連結大地接地，或者是斷開的。

(圖片來源：Lumen Learning)

因此，當以上壞事發生、又有人碰觸到機殼…你應該知道AC電流通過某種物體再到大地，會發生什麼事(參考圖3)。這裡的電壓並不足以致命，要命的是被驅動流經人體的電流——僅需幾mA的電流就可以透過皮膚接觸穿過胸部，並引起心房顫動。所以人們也把電位差稱做電動勢(electromotive force)，這是有充分理由的。

圖3：絕緣層破損會使火線與裝置的金屬外殼直接接觸，當接地連結斷開時，人體就會遭受嚴重的電擊——然而儘管接地斷開，裝置卻仍可能正常運作。

(圖片來源：Lumen Learning)

有一種情況是裝置機殼不採用大地接地，而是以隔離變壓器(isolation transformer)來避免電擊危險(參考圖4)；這種變壓器的二次側有AC火線和中性線，但沒有大地接地線，因此可避免電流通過使用者身體流回大地。

圖4：隔離變壓器的一次側接地線和二次側之間沒有電阻性電流通路，因此不會形成完整的電路，這能避免電流通過使用者身體再流回大地。

(圖片來源：Lumen Learning)

醫療設備通常會被強制要求使用隔離變壓器，因為如果需要將探針深入患者體內，在接觸阻抗較低的情況下，電擊風險會非常高。流經胸腔內部的電流哪怕只有幾mA也可能致命。

而隔離的需求不僅限於AC裝置或為了避免電擊危險，許多感測器都不提供大地接地，但在實際使用中卻能與大地連結；例如安裝在金屬框架上的感測器。不過這種大地接地連結可能會使類比前端(AFE)的電路短路，因此通常使用「浮動」(floating)的非接地AFE，而透過變壓器、光耦合器、電容耦合、RF鏈路或其他技術實現隔離。

而儘管面臨電路設計專案的時間壓力，我們通常還是值得退一步思考以下問題：

• 接地之間和電路功能之間的電位差在哪裡？有多大？
• 這些電位差會產生多大的電流？又會產生什麼影響？
• 大地接地(如果有)、機殼接地和共同(訊號)接地之間如何連結？(注意，許多電路實際上具有多個訊號接地)

坊間可以找到大量有關不同接地類型以及其各方面知識的參考資料、線上課程、實作案例等等，涵蓋五花八門的應用如電池供電的敏感感測器驅動電路、醫療設備、大型建築物和天線塔等等。你是否也曾遭遇接地設計相關的問題或推薦的參考資料？歡迎分享！

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌簡體中文版2021年2月號；責編：Judith Cheng

（參考原文：AC grounding essential, dangerous, or both，By Bill Schweber）

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