謹(jǐn)防模擬或數(shù)字電路的設(shè)計誤區(qū)

人類是不同尋常的“動物”，有些時候，在某些方面，一知半解、自負(fù)和盲目自大比無知更危險，比如電路設(shè)計，可能導(dǎo)致電路無法正常工作。當(dāng)看到有經(jīng)驗的工程師猶豫不決時，某些人覺得自己還不如和沒有經(jīng)驗的人合作，不明白為什么這些經(jīng)驗豐富的工程師反而進(jìn)退兩難。這里有三個例子，其中的簡單分析能給設(shè)計者一些啟發(fā)，在未來的設(shè)計中避免類似問題。有些情況下，設(shè)計人員往往錯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。使得沒有模擬設(shè)計經(jīng)驗的數(shù)字工程師只能從試驗、失敗中獲得模擬知識。由此產(chǎn)生的一些結(jié)果會使RubeGoldberg為之得意。(誰是RubeGoldberg？他是一位曾經(jīng)獲得普利策獎的漫畫家。RubeGoldberg在20世紀(jì)早期通過一些荒誕的發(fā)明，實現(xiàn)簡單功能復(fù)雜化而成名)我們來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)計的錯誤認(rèn)識是：沒有意識到干凈的電源和地對電路設(shè)計有多么重要，連接電路時不考慮直流阻抗匹配。忽略物理法則的設(shè)計最終會導(dǎo)致系統(tǒng)失效。別被表面現(xiàn)象迷惑數(shù)據(jù)手冊常常注明：“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)，它們確實如此！圖1：一個印制電路板版圖(PCB)，集成電路和電容。該電路板用于視頻混合信號，圖1所示集成電路周圍還存在其它器件，這些周邊器件非常關(guān)鍵。這是一個四層板，信號通路在最外兩層，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)以及信號處理電路。器件密度適中，沒有球柵陣列(BGA)封裝，不需要更多層或復(fù)雜布板。測試這個設(shè)計時，我們發(fā)現(xiàn)視頻輸出噪聲非常大。而且，大多數(shù)噪聲都來自一個集成電路。圖1顯示了電路板的頂層圖，電源引腳測試到非常大的噪聲。當(dāng)用一根很細(xì)的導(dǎo)線穿過去耦電容的地層過孔，連接到電路板的另一側(cè)時，一條引線(不在內(nèi)部地層)消失在另一過孔，這將引發(fā)一些問題。觀察電路布局，突出標(biāo)示出我們感興趣的節(jié)點，可以看到所有連線，如圖2所示。圖2.使用PCB設(shè)計軟件得到的電路布局。這些布線看起來是由數(shù)字電路自動布線工具完成的，電路板設(shè)計人員可能并不具備模擬電路設(shè)計經(jīng)驗。沒有內(nèi)部地層和電源層(參考AN4345有關(guān)接地技巧與合理布局)。在沒有設(shè)計經(jīng)驗的人眼里，這個電路完全正確，但是，因為所有地混雜在一起。這種連接對于直流沒有問題，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中的每個通路和過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，電感可以看作一個機(jī)械螺旋線電感；為方便解釋，假設(shè)集成電路為運算放大器，但它可以是任何電路。當(dāng)其它電路的電流改變時，"地彈噪聲"符號上方左右兩端的數(shù)字電路及其它電路的噪聲會使電壓上下波動。在很多點直接干擾到模擬信號：1)噪聲通過R1耦合到運放輸入。2)噪聲耦合到運放的地端。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。3)噪聲通過R2耦合到運放輸入。4)噪聲通過去耦電容與R1電阻，耦合到運放輸入。注意：電容是一個雙向器件，去耦電容的作用是對電容兩側(cè)的高頻信號取平均。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，去耦電容反而會把噪聲加到電源上。如上所示，因為耦合噪聲信號有相位差，噪聲耦合到運放周圍的各個節(jié)點，使得輸出非常嘈雜。圖中抖動所示，所有噪聲都會疊加到輸出端。輸出也受運放的非線性失真干擾，噪聲分量由此會產(chǎn)生和、差諧波分量，使整個頻譜充滿噪聲。以上簡單闡述了良好的電源、地層布局的重要性，對于沒有模擬設(shè)計經(jīng)驗的工程師，尤其值得注意。射頻電路的不合理布局另一個例子，讓我們看看出現(xiàn)在一個射頻收發(fā)器評估板設(shè)計時遇到的問題。設(shè)計者拿著電路并把它輸入一個用于數(shù)字邏輯的PCB自動布線工具。結(jié)果，電路板無法在射頻下工作，即使電路板符合RubeGoldberg要求。板子的關(guān)鍵通路都是分散的，并通過過孔(電感)連接，電源沒有合理的去耦。板上天線奇形怪狀，很難設(shè)計出一個直線天線。當(dāng)這個設(shè)計者被問及用來設(shè)計這種天線的軟件時，得到的回復(fù)不是天線設(shè)計軟件，而是聽到設(shè)計者說“那是留給我們放天線的地方”。雖然這個設(shè)計者是一個很好的微處理器工程師，但他不知道天線尺寸是由信號波長決定的，也沒有意識到地平面是另一半天線。在有經(jīng)驗的射頻工程師指導(dǎo)下，才能夠保證設(shè)計。諧振原理樂器和射頻設(shè)備都利用共振來工作。圖4展示的是一組管風(fēng)琴，每根管子都被調(diào)到一個固定的音符上。而當(dāng)我們從一個地方發(fā)射無線電到另一個地方，諧振將幫助我們選擇一個信號,而拒絕所有其它信號。圖4：美國一所教堂中的管風(fēng)琴。調(diào)節(jié)射頻天線尺寸使它諧振在指定頻率，但仍然存在問題。在汽車環(huán)境工作時，設(shè)計者把天線放在引擎室以期實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，這是一個汽車配件，需要在汽車引擎金屬蓋下進(jìn)行接收和發(fā)射。設(shè)計者認(rèn)為汽車引擎室在指定頻率下會形成一個諧振腔并放大信號。不幸的是，諧振腔需要精確的設(shè)計，而不同的汽車有不同的引擎室尺寸，很難獲得諧振。此外，設(shè)計者不想為了滿足汽車的高溫工作要求，而為器件花大價錢。設(shè)計者不理解引擎室溫度很高，仍希望消費類產(chǎn)品在最高70℃的溫度下能僥幸工作。數(shù)?；旌掀骷?，如MAX54116位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，通常有一個引腳作為模擬地，另一個地為數(shù)字地。在MAX541的數(shù)據(jù)手冊中，第九頁和第十頁解釋了如何把它們連在一起，并采用星型連接。這個對地描述的術(shù)語可能容易造成誤解，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”，因為閾值效應(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，把一個地平面連成星型的經(jīng)驗和技巧是必須。同時，在每個數(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，而幾乎沒有什么電流消耗在交叉點。專業(yè)的工程師會使用電阻、磁珠或電感作為交點以傳導(dǎo)為頻率函數(shù)的電流。經(jīng)驗允許版圖最小化，但唯一確定的方法是根據(jù)經(jīng)驗反復(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濫用，經(jīng)驗是最好的老師。學(xué)生在學(xué)校時，可能必須死記一些知識。所幸的是，通過分享這些經(jīng)驗，我們能