謹(jǐn)防模擬或數(shù)字電路的設(shè)計(jì)誤區(qū)

人類是不同尋常的“動(dòng)物”，有些時(shí)候，在某些方面，一知半解、自負(fù)和盲目自大比無(wú)知更危險(xiǎn)，比如電路設(shè)計(jì)，可能導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作。當(dāng)看到有經(jīng)驗(yàn)的工程師猶豫不決時(shí)，某些人覺(jué)得自己還不如和沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的人合作，不明白為什么這些經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師反而進(jìn)退兩難。這里有三個(gè)例子，其中的簡(jiǎn)單分析能給設(shè)計(jì)者一些啟發(fā)，在未來(lái)的設(shè)計(jì)中避免類似問(wèn)題。有些情況下，設(shè)計(jì)人員往往錯(cuò)誤理解器件的工作方式，以至于做出一些奇怪的假設(shè)，導(dǎo)致器件的錯(cuò)誤使用。不幸的是，現(xiàn)在的工程院校幾乎都把注意力集中在數(shù)字技術(shù)，幾乎完全忽略了模擬設(shè)計(jì)。使得沒(méi)有模擬設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字工程師只能從試驗(yàn)、失敗中獲得模擬知識(shí)。由此產(chǎn)生的一些結(jié)果會(huì)使RubeGoldberg為之得意。(誰(shuí)是RubeGoldberg？他是一位曾經(jīng)獲得普利策獎(jiǎng)的漫畫(huà)家。RubeGoldberg在20世紀(jì)早期通過(guò)一些荒誕的發(fā)明，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單功能復(fù)雜化而成名)我們來(lái)考慮一些在模擬工程師眼里非常可怕的情況，通常數(shù)字設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)是：沒(méi)有意識(shí)到干凈的電源和地對(duì)電路設(shè)計(jì)有多么重要，連接電路時(shí)不考慮直流阻抗匹配。忽略物理法則的設(shè)計(jì)最終會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效。別被表面現(xiàn)象迷惑數(shù)據(jù)手冊(cè)常常注明：“電源的去耦電容要盡可能靠近集成電路的電源引腳放置?！比鐖D1所示印制電路板(PCB)，它們確實(shí)如此！圖1：一個(gè)印制電路板版圖(PCB)，集成電路和電容。該電路板用于視頻混合信號(hào)，圖1所示集成電路周?chē)€存在其它器件，這些周邊器件非常關(guān)鍵。這是一個(gè)四層板，信號(hào)通路在最外兩層，模擬工程師通常將電源和地分別布設(shè)在中間兩層。器件包括高頻模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)以及信號(hào)處理電路。器件密度適中，沒(méi)有球柵陣列(BGA)封裝，不需要更多層或復(fù)雜布板。測(cè)試這個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)視頻輸出噪聲非常大。而且，大多數(shù)噪聲都來(lái)自一個(gè)集成電路。圖1顯示了電路板的頂層圖，電源引腳測(cè)試到非常大的噪聲。當(dāng)用一根很細(xì)的導(dǎo)線穿過(guò)去耦電容的地層過(guò)孔，連接到電路板的另一側(cè)時(shí)，一條引線(不在內(nèi)部地層)消失在另一過(guò)孔，這將引發(fā)一些問(wèn)題。觀察電路布局，突出標(biāo)示出我們感興趣的節(jié)點(diǎn)，可以看到所有連線，如圖2所示。圖2.使用PCB設(shè)計(jì)軟件得到的電路布局。這些布線看起來(lái)是由數(shù)字電路自動(dòng)布線工具完成的，電路板設(shè)計(jì)人員可能并不具備模擬電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。沒(méi)有內(nèi)部地層和電源層(參考AN4345有關(guān)接地技巧與合理布局)。在沒(méi)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人眼里，這個(gè)電路完全正確，但是，因?yàn)樗械鼗祀s在一起。這種連接對(duì)于直流沒(méi)有問(wèn)題，但在一定工作頻率下，其等效電路上存在較大的寄生成分，如圖3所示。圖3.電路中“地彈噪聲”的示意圖。圖2中的每個(gè)通路和過(guò)孔都存在寄生電阻和電感。圖3中，把這些分布寄生單元等效成與地串聯(lián)的低頻電感。圖中，電感可以看作一個(gè)機(jī)械螺旋線電感；為方便解釋，假設(shè)集成電路為運(yùn)算放大器，但它可以是任何電路。當(dāng)其它電路的電流改變時(shí)，"地彈噪聲"符號(hào)上方左右兩端的數(shù)字電路及其它電路的噪聲會(huì)使電壓上下波動(dòng)。在很多點(diǎn)直接干擾到模擬信號(hào)：1)噪聲通過(guò)R1耦合到運(yùn)放輸入。2)噪聲耦合到運(yùn)放的地端。有人可能想借助“電源抑制比”消除噪聲，但是，不要忘記，地是它的參考電位，這意味著噪聲將直接耦合到輸出信號(hào)。3)噪聲通過(guò)R2耦合到運(yùn)放輸入。4)噪聲通過(guò)去耦電容與R1電阻，耦合到運(yùn)放輸入。注意：電容是一個(gè)雙向器件，去耦電容的作用是對(duì)電容兩側(cè)的高頻信號(hào)取平均。如果電源總線上有噪聲，而地非常干凈，去耦電容形成的到電源的低阻回路可以有效降低噪聲。盡管如此，如果地是高阻并存在很大噪聲，去耦電容反而會(huì)把噪聲加到電源上。如上所示，因?yàn)轳詈显肼曅盘?hào)有相位差，噪聲耦合到運(yùn)放周?chē)母鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)，使得輸出非常嘈雜。圖中抖動(dòng)所示，所有噪聲都會(huì)疊加到輸出端。輸出也受運(yùn)放的非線性失真干擾，噪聲分量由此會(huì)產(chǎn)生和、差諧波分量，使整個(gè)頻譜充滿噪聲。以上簡(jiǎn)單闡述了良好的電源、地層布局的重要性，對(duì)于沒(méi)有模擬設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師，尤其值得注意。射頻電路的不合理布局另一個(gè)例子，讓我們看看出現(xiàn)在一個(gè)射頻收發(fā)器評(píng)估板設(shè)計(jì)時(shí)遇到的問(wèn)題。設(shè)計(jì)者拿著電路并把它輸入一個(gè)用于數(shù)字邏輯的PCB自動(dòng)布線工具。結(jié)果，電路板無(wú)法在射頻下工作，即使電路板符合RubeGoldberg要求。板子的關(guān)鍵通路都是分散的，并通過(guò)過(guò)孔(電感)連接，電源沒(méi)有合理的去耦。板上天線奇形怪狀，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)直線天線。當(dāng)這個(gè)設(shè)計(jì)者被問(wèn)及用來(lái)設(shè)計(jì)這種天線的軟件時(shí)，得到的回復(fù)不是天線設(shè)計(jì)軟件，而是聽(tīng)到設(shè)計(jì)者說(shuō)“那是留給我們放天線的地方”。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)者是一個(gè)很好的微處理器工程師，但他不知道天線尺寸是由信號(hào)波長(zhǎng)決定的，也沒(méi)有意識(shí)到地平面是另一半天線。在有經(jīng)驗(yàn)的射頻工程師指導(dǎo)下，才能夠保證設(shè)計(jì)。諧振原理樂(lè)器和射頻設(shè)備都利用共振來(lái)工作。圖4展示的是一組管風(fēng)琴，每根管子都被調(diào)到一個(gè)固定的音符上。而當(dāng)我們從一個(gè)地方發(fā)射無(wú)線電到另一個(gè)地方，諧振將幫助我們選擇一個(gè)信號(hào),而拒絕所有其它信號(hào)。圖4：美國(guó)一所教堂中的管風(fēng)琴。調(diào)節(jié)射頻天線尺寸使它諧振在指定頻率，但仍然存在問(wèn)題。在汽車(chē)環(huán)境工作時(shí)，設(shè)計(jì)者把天線放在引擎室以期實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，這是一個(gè)汽車(chē)配件，需要在汽車(chē)引擎金屬蓋下進(jìn)行接收和發(fā)射。設(shè)計(jì)者認(rèn)為汽車(chē)引擎室在指定頻率下會(huì)形成一個(gè)諧振腔并放大信號(hào)。不幸的是，諧振腔需要精確的設(shè)計(jì)，而不同的汽車(chē)有不同的引擎室尺寸，很難獲得諧振。此外，設(shè)計(jì)者不想為了滿足汽車(chē)的高溫工作要求，而為器件花大價(jià)錢(qián)。設(shè)計(jì)者不理解引擎室溫度很高，仍希望消費(fèi)類產(chǎn)品在最高70℃的溫度下能僥幸工作。數(shù)?；旌掀骷鏜AX54116位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，通常有一個(gè)引腳作為模擬地，另一個(gè)地為數(shù)字地。在MAX541的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，第九頁(yè)和第十頁(yè)解釋了如何把它們連在一起，并采用星型連接。這個(gè)對(duì)地描述的術(shù)語(yǔ)可能容易造成誤解，不使用模擬和數(shù)字，而使用“干凈和嘈雜”可能更容易理解。正如應(yīng)用筆記4345所述，“良好的接地，數(shù)字也是模擬”，因?yàn)殚撝敌?yīng)，數(shù)字電路能忽略一些噪聲，而模擬電路不能。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，數(shù)字和模擬地的連接方法需要非常小心，尤其當(dāng)系統(tǒng)由很多ADC、DAC組成時(shí)，把一個(gè)地平面連成星型的經(jīng)驗(yàn)和技巧是必須。同時(shí)，在每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，模擬和數(shù)字平面需要交叉連接，目的是將主電流返回到電源，而幾乎沒(méi)有什么電流消耗在交叉點(diǎn)。專業(yè)的工程師會(huì)使用電阻、磁珠或電感作為交點(diǎn)以傳導(dǎo)為頻率函數(shù)的電流。經(jīng)驗(yàn)允許版圖最小化，但唯一確定的方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)的優(yōu)化電路版圖以降低噪聲。不幸的是，所有的器件都有可能被誤用或?yàn)E用，經(jīng)驗(yàn)是最好的老師。學(xué)生在學(xué)校時(shí)，可能必須死記一些知識(shí)。所幸的是，通過(guò)分享這些經(jīng)驗(yàn)，我們能