如何避免混合信号电路中的接地环路

接地环路会降低电路性能，毁了你的一天。请遵循以下建议，防止在使用模拟和数字元件的电路中发生此类问题。

典型的混合信号系统——由数字逻辑和模拟电路组成的系统——使用多个电源。典型电压包括逻辑电路的+5伏直流、+3.3伏直流和/或+1.8伏直流，模拟电路则为±15伏直流、±12伏直流、+5伏直流和/或+3.3伏直流。所有这些直流电源都通过有电电路与电源的公共或接地回路连接。返回路径连接不当可能导致接地环路，进而引入噪声、测量误差和电磁干扰。

这里有一个假设的例子。图1展示了一个表示简单数据采集系统（DAS）的框图。有运算放大器和模拟开关处理输入的模拟信号。模拟转数字转换器（ADC）负责信号数字化，而数字转模拟转换器（DAC）则提供数字化数据的回读。数字逻辑部分使用微处理器和简单的逻辑器件来控制模拟开关和ADC/DAC，并提供额外的数字输入输出功能。

图1。通用的简化数据采集系统由ADC、DAC、模拟开关和数字逻辑电路组成。

模拟电路的电源来自±12伏直流（模拟）和+5伏直流（模拟）电源。数字电路的电源来自+5伏直流（数字）和+3.3伏直流（数字）电源。虽然本框图及后续图示中未显示，但请记住，正确使用电容从电源轨到合适接地线的解耦至关重要。

通常，你会把电容尽可能靠近它们各自的设备。你选择电容器的值和类型是根据电流随时间的变化速率（di/dt）来决定的。例如，你可以用一个10 μF的电解电容器，与一个0.1 μF的陶瓷电容器从电源到地线并联。电解电容器在音频和低无线电频率下电抗较低，但在高频时，它开始呈现感性特征，因此整体阻抗增加。这就是为什么你需要加陶瓷电容：它在高频下的性能要好得多。

我画了一个框图，显示所有电路的公共/接地用一个公共接地符号表示。对于PC板的布局，你会如何创建DAS的接地路径或走线？你可以用空间允许的铜线做一个巨大的接地平面，然后把任何接地（电源回流或负载接地）都接到接地平面上。你也可以从电路的每个部分拉线到具体的电源。模拟输入和数字输出的公共/接地连接怎么办？你可以把与模拟信号相关的地线连接到靠近运放电路的一点，或者连接到非常靠近模拟电源的点。如果模拟传感器（信号源）在传感器处也有本地接地连接，而这些连接距离DAS有一定距离呢？

一旦你弄清楚了，就得决定如何处理ADC的接地连接。请注意，它同时由模拟和数字电源供电。一些ADC在硅芯片上将模拟地和数字地结合在一起。对于其他应用说明，设计工程师在ADC封装处将两个接地连接起来。然后，模拟和数字电源的负极连接（直流回路）应是ADC与电源之间的隔离连接，以确保它们仅在ADC处接地。

这时你可能会意识到，由于DAS中还有其他电路块由多个电源供电，决定如何在ADC和数字电路之间布置地线变得复杂。你很可能会发现，各种接地线中的电流流动会产生电压（I-R）下降，从而引发问题。例如，如果信号地线和+5伏直流数字电源的地线混合，即使模拟信号实际上没有变化，也会有显著的明显变化。这是由于数字电路电流消耗的持续波动以及铜制PC板走线中相应的I-R降率所致。请记住，如果我们DAS中的ADC位数较大（即LSB在微伏或纳伏数量级），接地参考信号中的微小电压扰动就会导致问题。

为了更好地理解电源和接地问题，我们先画一个简化的电源和接地连接图（见图2）。我们将使用上述部分电源（±12伏直流模拟，+5伏直流模拟，+5伏直流数字，以及+3.3伏直流数字）。我们将展示直流电源的各种接地/回路、传感器输入以及内部子系统之间的连接，以跟踪电流流动。

图2。这表示电路的公共或接地连接，有助于可视化可能的接地电流路径。为了清晰起见，数字逻辑部分省略了（而且这目前是我们最不关心的事）。

图2中的呼号代表了一些可能的接地连接。我们假设连接 #1b 是模拟电路中固定的公共连接积分。并非所有其他连接都会出现;作为设计工程师，你的任务是决定哪些要保留，具体如何排列它们。例如，我们可以将所有电源的公共（回流）连接与#1和#2连接在电源附近，假设它们物理上很近。但在 ADC 旁边或内部的 #4 处还有一个绑定连接。这会产生多径连接，在较小程度上也会产生环路。环路可能会辐射或接收系统其他部位的磁场，这可能会带来问题。多条路径肯定会导致在未定义的电阻或阻抗上出现中路-反共降，而这些降级具有一定的不可预测性。

同样，我们可以省略#1和#2连接，只使用#4连接。这会强制模拟电路的电源电流流经连接#3，这也是输入ADC的模拟信号的共用电路。同样，我们可以预期红外线下降具有不可预测性质。例如，电源电流消耗的变化会增加到接地参考的模拟信号，这显然会带来问题。

如果模拟传感器（我们假设它们距离DAS有一定距离）与地面（#6a）和DAS电路有连接，且连接 #1b，则不确定性会更大。如果电源的共用连接连接到地线（#1a），可能存在更多阻抗不确定的电流路径。

显然，我们需要找到简化和组织这些接地连接的方法，以获得预期的性能。

我们需要探讨一些方法来缓解由不可预测的地面电流引起的问题。

我们先从一些简化开始，虽然我们可能需要先把事情复杂化，然后再简化。首先，让我们在PC板上的模拟电路周围布置一个巨大的地平面。然后我们可以把传感器的#5接地连接到运算放大器附近的接地平面，处理传感器信号。见图3，是第一部分图2的重复。#2 接地线断了。

图3。这表示电路的公共或接地连接，有助于可视化可能的接地电流路径。为了清晰起见，数字逻辑部分省略了。重复第一部分的内容，但数字和模拟电路接地分开。

对于该运放电路，鉴于它由双电源（±12伏直流电）供电，理论上不会有供电电流流入地。实际上，由于运放电源线将电容与地线解耦，以及（2）运放输出与地之间的阻抗网络，会有一些阻抗。你可以把这些接地线通过不同的走线（而不是地平面）引导回PC板上±12V进入板子的那个点。这样可以最大限度地减少接地平面的电压干扰，但也存在权衡。我们为（1）和（2）项添加的这些独立地线的电感并非简单，可能会带来意想不到的问题。这些问题包括运放输出信号的振铃（如果是高带宽器件）或寄生振荡。因此，把（1）和（2）项退回地面平面可能更安全。

对于连接到我们PC板的两个模拟电源（±12伏直流和+5伏直流），它们的回流线（±12伏AN_RTN和+5伏AN_RTN）应仅在一个点连接在一起，该点应位于上述描述的接地平面。

考虑到一些接地问题，我们先不做进一步，直到考虑电力（非接地）布线。如果有多块PC板相距较远，导致两个模拟电源无法实现单点回波，你可能需要添加一个隔离的直流对直流电源（电路或模块）来帮助隔离电源返回连接。事实上，如果你这样做，可以把模拟电源改成一个正电压电源。你可以简单地分配+12、+24或+48伏直流电压，并在每个模拟PC板上使用（例如）低功耗反冲逆变拓扑（见图4）来产生所有必要的电压。这样可以提供隔离以及多种电压和极性。这样做可以让电源返回连接非常接近模拟电路的电流。

图4。变压器隔离V。在以及VOUT，有助于防止电力传输电路中的接地环路。（图片来源：维基百科）

连接传感器

仔细观察传感器和处理信号的模拟电路。回想图1中那个讨厌的#6和 #6a（多重）接地。如果可能的话，将传感器与任何接地连接隔离开来。不要在它们的远程位置接地任何传感器连接。

如果传感器是双端子器件，比如热敏电阻、光电池、4-20 mA器件、感性近炸器件、压电器件等，你就可以把它看作是一个隔离的差分信号。因此，你可以通过屏蔽的双绞线电缆将两个端子连接到DAS。只把那个屏蔽接到DAS接地平面，但传感器附近的端端保持不连接，否则会产生接地环路。确保传感器信号（大部分）无噪声，并用真正的差分输入放大器处理其输出。使用仪表放大器，而不仅仅是配置了差分输入的运算放大器。[1]有多篇文章解释了这两者的区别，并详细说明了可能出现的问题。[2]差速放大器问题的简短版本：偏置电流和输入阻抗在（+）和（–）输入时并不相同。见图5，比较了这两种放大器的拓扑结构。

图5 传感器连接到仪器放大器的+INPUT和–INPUT（b）。不要像（a）所示使用差分输入单运算放大器。你会后悔的。

部分传感器在外壳中集成了有源电路;连接方式可能包括电源、地线和信号。此时信号为“单端”，而非之前描述的双线差分版本。也可以用类似的方式处理，有时称为伪差分。示例见图6。这是一种带有内置场效应管放大器的电驻极体麦克风。它需要电源和地线，输出只有一个接口。我们可以用一根双绞线连接±输出，分别用+5伏直流模拟线和+5伏电压AN_RTN线，并像图中那样连接一个屏蔽。

对于数字线路，如果数字电路的一部分（比如远程模块）由隔离电源供电，它们很可能可以共享共用接地而不会造成问题。如果数字电路没有从隔离电源供电，你可以通过插入数字隔离器来断开与控制线相关的接地连接。此类设备采用多种技术，如光学（LED + 光电二极管）、交流电（调制器+变压器+解调器）、磁性（电磁+霍尔效应传感器）或电容性（调制器+电容+解调器）。

图6 这是一种伪差分输出配置，用于传感器示例，带有集成放大器，由外部电源供电。

图6展示了该装置的中立版本，并带有隔离器设备的通用符号。请注意，这些隔离器设备包含有源电子元件，因此需要各自的电源和接地连接。

对于从A板接收数据线的隔离器，该设备有从A板引入的电源和接地连接。因此，使用三根线或PC板线：电源线、地线和数据线。数据是相对于相同的地面传输功率的数字信号。与之前描述的模拟信号不同，少量的地电流或噪声不应引起信号完整性问题。

图7 这里有一种建议方法，用于最小化数字逻辑信号传输中的误差。如果接地电流过大，就会发生错误，导致“接地弹跳”。

对于从板B（方向相反）接收A板上数据线的隔离器，该设备有从B板引入的电源和接地连接。同样，使用三根线或PC主板线路。

请记住，显著的电流消耗或快速变化的电流（数字系统中常见）可能会使地电位相对于电源处的接地电位移动（接地反弹）。如前所述，正确使用旁路电容对于减少这种状况至关重要。

如果你遵循这些通用指南，成功率会更高，也不需要多次迭代的电脑主板布局。