接地環路會降低電路性能，毀了你的一天。請遵循以下建議，防止在使用模擬和數字元件的電路中發生此類問題。

典型的混合信號系統——由數字邏輯和模擬電路組成的系統——使用多個電源。典型電壓包括邏輯電路的+5伏直流、+3.3伏直流和/或+1.8伏直流，模擬電路則為±15伏直流、±12伏直流、+5伏直流和/或+3.3伏直流。所有這些直流電源都通過有電電路與電源的公共或接地回路連接。返回路徑連接不當可能導致接地環路，進而引入噪聲、測量誤差和電磁干擾。

這里有一個假設的例子。圖1展示了一個表示簡單數據采集系統（DAS）的框圖。有運算放大器和模擬開關處理輸入的模擬信號。模擬轉數字轉換器（ADC）負責信號數字化，而數字轉模擬轉換器（DAC）則提供數字化數據的回讀。數字邏輯部分使用微處理器和簡單的邏輯器件來控制模擬開關和ADC/DAC，并提供額外的數字輸入輸出功能。

圖1。通用的簡化數據采集系統由ADC、DAC、模擬開關和數字邏輯電路組成。

模擬電路的電源來自±12伏直流（模擬）和+5伏直流（模擬）電源。數字電路的電源來自+5伏直流（數字）和+3.3伏直流（數字）電源。雖然本框圖及后續圖示中未顯示，但請記住，正確使用電容從電源軌到合適接地線的解耦至關重要。

通常，你會把電容盡可能靠近它們各自的設備。你選擇電容器的值和類型是根據電流隨時間的變化速率（di/dt）來決定的。例如，你可以用一個10 μF的電解電容器，與一個0.1 μF的陶瓷電容器從電源到地線并聯。電解電容器在音頻和低無線電頻率下電抗較低，但在高頻時，它開始呈現感性特征，因此整體阻抗增加。這就是為什么你需要加陶瓷電容：它在高頻下的性能要好得多。

我畫了一個框圖，顯示所有電路的公共/接地用一個公共接地符號表示。對于PC板的布局，你會如何創建DAS的接地路徑或走線？你可以用空間允許的銅線做一個巨大的接地平面，然后把任何接地（電源回流或負載接地）都接到接地平面上。你也可以從電路的每個部分拉線到具體的電源。模擬輸入和數字輸出的公共/接地連接怎么辦？你可以把與模擬信號相關的地線連接到靠近運放電路的一點，或者連接到非?？拷M電源的點。如果模擬傳感器（信號源）在傳感器處也有本地接地連接，而這些連接距離DAS有一定距離呢？

一旦你弄清楚了，就得決定如何處理ADC的接地連接。請注意，它同時由模擬和數字電源供電。一些ADC在硅芯片上將模擬地和數字地結合在一起。對于其他應用說明，設計工程師在ADC封裝處將兩個接地連接起來。然后，模擬和數字電源的負極連接（直流回路）應是ADC與電源之間的隔離連接，以確保它們僅在ADC處接地。

這時你可能會意識到，由于DAS中還有其他電路塊由多個電源供電，決定如何在ADC和數字電路之間布置地線變得復雜。你很可能會發現，各種接地線中的電流流動會產生電壓（I-R）下降，從而引發問題。例如，如果信號地線和+5伏直流數字電源的地線混合，即使模擬信號實際上沒有變化，也會有顯著的明顯變化。這是由于數字電路電流消耗的持續波動以及銅制PC板走線中相應的I-R降率所致。請記住，如果我們DAS中的ADC位數較大（即LSB在微伏或納伏數量級），接地參考信號中的微小電壓擾動就會導致問題。

為了更好地理解電源和接地問題，我們先畫一個簡化的電源和接地連接圖（見圖2）。我們將使用上述部分電源（±12伏直流模擬，+5伏直流模擬，+5伏直流數字，以及+3.3伏直流數字）。我們將展示直流電源的各種接地/回路、傳感器輸入以及內部子系統之間的連接，以跟蹤電流流動。

圖2。這表示電路的公共或接地連接，有助于可視化可能的接地電流路徑。為了清晰起見，數字邏輯部分省略了（而且這目前是我們最不關心的事）。

圖2中的呼號代表了一些可能的接地連接。我們假設連接 #1b 是模擬電路中固定的公共連接積分。并非所有其他連接都會出現;作為設計工程師，你的任務是決定哪些要保留，具體如何排列它們。例如，我們可以將所有電源的公共（回流）連接與#1和#2連接在電源附近，假設它們物理上很近。但在 ADC 旁邊或內部的 #4 處還有一個綁定連接。這會產生多徑連接，在較小程度上也會產生環路。環路可能會輻射或接收系統其他部位的磁場，這可能會帶來問題。多條路徑肯定會導致在未定義的電阻或阻抗上出現中路-反共降，而這些降級具有一定的不可預測性。

同樣，我們可以省略#1和#2連接，只使用#4連接。這會強制模擬電路的電源電流流經連接#3，這也是輸入ADC的模擬信號的共用電路。同樣，我們可以預期紅外線下降具有不可預測性質。例如，電源電流消耗的變化會增加到接地參考的模擬信號，這顯然會帶來問題。

如果模擬傳感器（我們假設它們距離DAS有一定距離）與地面（#6a）和DAS電路有連接，且連接 #1b，則不確定性會更大。如果電源的共用連接連接到地線（#1a），可能存在更多阻抗不確定的電流路徑。

顯然，我們需要找到簡化和組織這些接地連接的方法，以獲得預期的性能。

我們需要探討一些方法來緩解由不可預測的地面電流引起的問題。

我們先從一些簡化開始，雖然我們可能需要先把事情復雜化，然后再簡化。首先，讓我們在PC板上的模擬電路周圍布置一個巨大的地平面。然后我們可以把傳感器的#5接地連接到運算放大器附近的接地平面，處理傳感器信號。見圖3，是第一部分圖2的重復。#2 接地線斷了。

圖3。這表示電路的公共或接地連接，有助于可視化可能的接地電流路徑。為了清晰起見，數字邏輯部分省略了。重復第一部分的內容，但數字和模擬電路接地分開。

對于該運放電路，鑒于它由雙電源（±12伏直流電）供電，理論上不會有供電電流流入地。實際上，由于運放電源線將電容與地線解耦，以及（2）運放輸出與地之間的阻抗網絡，會有一些阻抗。你可以把這些接地線通過不同的走線（而不是地平面）引導回PC板上±12V進入板子的那個點。這樣可以最大限度地減少接地平面的電壓干擾，但也存在權衡。我們為（1）和（2）項添加的這些獨立地線的電感并非簡單，可能會帶來意想不到的問題。這些問題包括運放輸出信號的振鈴（如果是高帶寬器件）或寄生振蕩。因此，把（1）和（2）項退回地面平面可能更安全。

對于連接到我們PC板的兩個模擬電源（±12伏直流和+5伏直流），它們的回流線（±12伏AN_RTN和+5伏AN_RTN）應僅在一個點連接在一起，該點應位于上述描述的接地平面。

考慮到一些接地問題，我們先不做進一步，直到考慮電力（非接地）布線。如果有多塊PC板相距較遠，導致兩個模擬電源無法實現單點回波，你可能需要添加一個隔離的直流對直流電源（電路或模塊）來幫助隔離電源返回連接。事實上，如果你這樣做，可以把模擬電源改成一個正電壓電源。你可以簡單地分配+12、+24或+48伏直流電壓，并在每個模擬PC板上使用（例如）低功耗反沖逆變拓撲（見圖4）來產生所有必要的電壓。這樣可以提供隔離以及多種電壓和極性。這樣做可以讓電源返回連接非常接近模擬電路的電流。

圖4。變壓器隔離V。在以及VOUT，有助于防止電力傳輸電路中的接地環路。（圖片來源：維基百科）

連接傳感器

仔細觀察傳感器和處理信號的模擬電路?；叵雸D1中那個討厭的#6和 #6a（多重）接地。如果可能的話，將傳感器與任何接地連接隔離開來。不要在它們的遠程位置接地任何傳感器連接。

如果傳感器是雙端子器件，比如熱敏電阻、光電池、4-20 mA器件、感性近炸器件、壓電器件等，你就可以把它看作是一個隔離的差分信號。因此，你可以通過屏蔽的雙絞線電纜將兩個端子連接到DAS。只把那個屏蔽接到DAS接地平面，但傳感器附近的端端保持不連接，否則會產生接地環路。確保傳感器信號（大部分）無噪聲，并用真正的差分輸入放大器處理其輸出。使用儀表放大器，而不僅僅是配置了差分輸入的運算放大器。[1]有多篇文章解釋了這兩者的區別，并詳細說明了可能出現的問題。[2]差速放大器問題的簡短版本：偏置電流和輸入阻抗在（+）和（–）輸入時并不相同。見圖5，比較了這兩種放大器的拓撲結構。

圖5 傳感器連接到儀器放大器的+INPUT和–INPUT（b）。不要像（a）所示使用差分輸入單運算放大器。你會后悔的。

部分傳感器在外殼中集成了有源電路;連接方式可能包括電源、地線和信號。此時信號為“單端”，而非之前描述的雙線差分版本。也可以用類似的方式處理，有時稱為偽差分。示例見圖6。這是一種帶有內置場效應管放大器的電駐極體麥克風。它需要電源和地線，輸出只有一個接口。我們可以用一根雙絞線連接±輸出，分別用+5伏直流模擬線和+5伏電壓AN_RTN線，并像圖中那樣連接一個屏蔽。

對于數字線路，如果數字電路的一部分（比如遠程模塊）由隔離電源供電，它們很可能可以共享共用接地而不會造成問題。如果數字電路沒有從隔離電源供電，你可以通過插入數字隔離器來斷開與控制線相關的接地連接。此類設備采用多種技術，如光學（LED + 光電二極管）、交流電（調制器+變壓器+解調器）、磁性（電磁+霍爾效應傳感器）或電容性（調制器+電容+解調器）。

圖6 這是一種偽差分輸出配置，用于傳感器示例，帶有集成放大器，由外部電源供電。

圖6展示了該裝置的中立版本，并帶有隔離器設備的通用符號。請注意，這些隔離器設備包含有源電子元件，因此需要各自的電源和接地連接。

對于從A板接收數據線的隔離器，該設備有從A板引入的電源和接地連接。因此，使用三根線或PC板線：電源線、地線和數據線。數據是相對于相同的地面傳輸功率的數字信號。與之前描述的模擬信號不同，少量的地電流或噪聲不應引起信號完整性問題。

圖7 這里有一種建議方法，用于最小化數字邏輯信號傳輸中的誤差。如果接地電流過大，就會發生錯誤，導致“接地彈跳”。

對于從板B（方向相反）接收A板上數據線的隔離器，該設備有從B板引入的電源和接地連接。同樣，使用三根線或PC主板線路。

請記住，顯著的電流消耗或快速變化的電流（數字系統中常見）可能會使地電位相對于電源處的接地電位移動（接地反彈）。如前所述，正確使用旁路電容對于減少這種狀況至關重要。

如果你遵循這些通用指南，成功率會更高，也不需要多次迭代的電腦主板布局。