别被表面现象迷惑,谨防模拟或数字电路的设计误区
别被表面现象迷惑，谨防模拟或数字电路的设计误区
人类是不同寻常的“动物”，有些时候，在某些方面，一知半解、自负和盲目自大比无知更危险，比如电路设计，可能导致电路无法正常工作。当看到有经验的工程师犹豫不决时，某些人觉得自己还不如和没有经验的人合作，不明白为什么这些经验丰富的工程师反而进退两难。这里有三个例子，其中的简单分析能给设计者一些启发，在未来的设计中避免类似问题。
有些情况下，设计人员往往错误理解器件的工作方式，以至于做出一些奇怪的假设，导致器件的错误使用。不幸的是，现在的工程院校几乎都把注意力集中在数字技术，几乎完全忽略了模拟设计。使得没有模拟设计经验的数字工程师只能从试验、失败中获得模拟知识。由此产生的一些结果会使Rube Goldberg 为之得意。（谁是Rube Goldberg ？他是一位曾经获得普利策奖的漫画家。Rube Goldberg 在20世纪早期通过一些荒诞的发明，实现简单功能复杂化而成名）
我们来考虑一些在模拟工程师眼里非常可怕的情况，通常数字设计的错误认识是：没有意识到干净的电源和地对电路设计有多么重要，连接电路时不考虑直流阻抗匹配。忽略物理法则的设计最终会导致系统失效。
别被表面现象迷惑
数据手册常常注明：“电源的去耦电容要尽可能靠近集成电路的电源引脚放置。”印制电路板（PCB ），它们确实如此！
图1：一个印制电路板版图（PCB ），集成电路和电容。（点击放大）
该电路板用于视频混合信号，图1所示集成电路周围还存在其它器件，这些周边器件非常关键。这是一个四层板，信号通路在最外两层，模拟工程师通常将电源和地分别布设在中间两层。器件包括高频模/数转换器（ADC ）、数/模转换器（DAC ）以及信号处理电路。器件密度适中，没有球栅阵列（BGA ）封装，不需要更多层或复杂布板。
测试这个设计时，我们发现视频输出噪声非常大。而且，大多数噪声都来自一个集成电路。图1显示了电路板的顶层图，电源引脚测试到非常大的噪声。当用一根很细的导线穿过去耦电容的地层过孔，连接到电路板的另一侧时，一条引线（不在内部地层）消失在另一过孔，这将引发一些问题。
人类是不同寻常的“动物”，有些时候，在某些方面，一知半解、自负和盲目自大比无知更危险，比如电路设计，可能导致电路无法正常工作。当看到有经验的工程师犹豫不决时，某些人觉得自己还不如和没有经验的人合作，不明白为什么这些经验丰富的工程师反而进退两难。这里有三个例子，其中的简单分析能给设计者一些启发，在未来的设计中避免类似问题。
有些情况下，设计人员往往错误理解器件的工作方式，以至于做出一些奇怪的假设，导致器件的错误使用。不幸的是，现在的工程院校几乎都把注意力集中在数字技术，几乎完全忽略了模拟设计。使得没有模拟设计经验的数字工程师只能从试验、失败中获得模拟知识。由此产生的一些结果会使Rube Goldberg 为之得意。（谁是Rube Goldberg ？他是一位曾经获得普利策奖的漫画家。Rube Goldberg 在20世纪早期通过一些荒诞的发明，实现简单功能复杂化而成名）
我们来考虑一些在模拟工程师眼里非常可怕的情况，通常数字设计的错误认识是：没有意识到干净的电源和地对电路设计有多么重要，连接电路时不考虑直流阻抗匹配。忽略物理法则的设计最终会导致系统失效。
别被表面现象迷惑
数据手册常常注明：“电源的去耦电容要尽可能靠近集成电路的电源引脚放置。”印制电路板（PCB ），它们确实如此！
图1：一个印制电路板版图（PCB ），集成电路和电容。（点击放大）
该电路板用于视频混合信号，图1所示集成电路周围还存在其它器件，这些周边器件非常关键。这是一个四层板，信号通路在最外两层，模拟工程师通常将电源和地分别布设在中间两层。器件包括高频模/数转换器（ADC ）、数/模转换器（DAC ）以及信号处理电路。器件密度适中，没有球栅阵列（BGA ）封装，不需要更多层或复杂布板。
测试这个设计时，我们发现视频输出噪声非常大。而且，大多数噪声都来自一个集成电路。图1显示了电路板的顶层图，电源引脚测试到非常大的噪声。当用一根很细的导线穿过去耦电容的地层过孔，连接到电路板的另一侧时，一条引线（不在内部地层）消失在另一过孔，这将引发一些问题。
观察电路布局，突出标示出我们感兴趣的节点，可以看到所有连线，。
图2. 使用PCB 设计软件得到的电路布局。（点击放大）
这些布线看起来是由数字电路自动布线工具完成的，电路板设计人员可能并不具备模拟电路设计经验。没有内部地层和电源层（参考AN4345有关接地技巧与合理布局）。
在没有设计经验的人眼里，这个电路完全正确，但是，因为所有地混杂在一起。这种连接对于直流没有问题，但在一定工作频率下，其等效电路上存在较大的寄生成分，。
图3. 电路中“地弹噪声”的示意图。（点击放大）
图2中的每个通路和过孔都存在寄生电阻和电感。图3中，把这些分布寄生单元等效成与地串联的低频电感。图中，电感可以看作一个机械螺旋线电感；为方便解释，假设集成电路为运算放大器，但它可以是任何电路。
当其它电路的电流改变时，“地弹噪声”符号上方左右两端的数字电路及其它电路的噪声会使电压上下波动。在很多点直接干扰到模拟信号：
1）噪声通过R1耦合到运放输入。
2）噪声耦合到运放的地端。有人可能想借助“电源抑制比”消除噪声，但是，不要忘记，地是它的参考电位，这意味着噪声将直接耦合到输出信号。
3）噪声通过R2耦合到运放输入。
4）噪声通过去耦电容与R1电阻，耦合到运放输入。
注意：电容是一个双向器件，去耦电容的作用是对电容两侧的高频信号取平均。如果电源总线上有噪声，而地非常干净，去耦电容形成的到电源的低阻回路可以有效降低噪声。尽管如此，如果地是高阻并存在很大噪声，去耦电容反而会把噪声加到电源上。
如上所示，因为耦合噪声信号有相位差，噪声耦合到运放周围的各个节点，使得输出非常嘈杂。图中抖动所示，所有噪声都会叠加到输出端。
输出也受运放的非线性失真干扰，噪声分量由此会产生和、差谐波分量，使整个频谱充满噪声。
以上简单阐述了良好的电源、地层布局的重要性，对于没有模拟设计经验的工程师，尤其值得注意。
射频电路的不合理布局
另一个例子，让我们看看出现在一个射频收发器评估板设计时遇到的问题。设计者拿着电路并把它输入一个用于数字逻辑的PCB 自动布线工具。结果，电路板无法在射频下工作，即使电路板符合Rube Goldberg要求。
板子的关键通路都是分散的，并通过过孔（电感）连接，电源没有合理的去耦。板上天线奇形怪状，很难设计出一个直线天线。当这个设计者被问及用来设计这种天线的软件时，得到的回复不是天线设计软件，而是听到设计者说“那是留给我们放天线的地方”。
虽然这个设计者是一个很好的微处理器工程师，但他不知道天线尺寸是由信号波长决定的，也没有意识到地平面是另一半天线。在有经验的射频工程师指导下，才能够保证设计。
谐振原理
乐器和射频设备都利用共振来工作。图4展示的是一组管风琴，每根管子都被调到一个固定的音符上。而当我们从一个地方发射无线电到另一个地方，谐振将帮助我们选择一个信号，而拒绝所有其它信号。
图4：美国一所教堂中的管风琴。（点击放大）
调节射频天线尺寸使它谐振在指定频率，但仍然存在问题。在汽车环境工作时，设计者把天线放在引擎室以期实现远距离通信，这是一个汽车配件，需要在汽车引擎金属盖下进行接收和发射。
设计者认为汽车引擎室在指定频率下会形成一个谐振腔并放大信号。不幸的是，谐振腔需要精确的设计，而不同的汽车有不同的引擎室尺寸，很难获得谐振。此外，设计者不想为了满足汽车的高温工作要求，而为器件花大价钱。
设计者不理解引擎室温度很高，仍希望消费类产品在最高70℃的温度下能侥幸工作。 数模混合器件，如MAX541 16位数/模转换器，通常有一个引脚作为模拟地，另一个地为数字地。在MAX541的数据手册中，第九页和第十页解释了如何把它们连在一起，并采用星型连接。这个对地描述的术语可能容易造成误解，不使用模拟和数字，而使用“干净和嘈杂”可能更容易理解。
正如应用笔记4345所述，“良好的接地，数字也是模拟”，因为阈值效应，数字电路能忽略一些噪声，而模拟电路不能。在数据转换器中，数字和模拟地的连接方法需要非常小心，尤其当系统由很多ADC 、DAC 组成时，把一个地平面连成星型的经验和技巧是必须。
同时，在每个数据转换器中，模拟和数字平面需要交叉连接，目的是将主电流返回到电源，而几乎没有什么电流消耗在交叉点。专业的工程师会使用电阻、磁珠或电感作为交点以传导为频率函数的电流。经验允许版图最小化，但唯一确定的方法是根据经验反复的优化电路版图以降低噪声。
不幸的是，所有的器件都有可能被误用或滥用，经验是最好的老师。学生在学校时，可能必须死记一些知识。所幸的是，通过分享这些经验，我们能避免其他工程师寻找突破口时的痛苦。节省下来的时间我们可以用来改进设计，而不必挠着脑袋为没有很快看到结果而烦恼。
对每个工程师来说，没有一个器件是万能的，不管Rube Goldberg如何试验，一个设备不能集成每个应用的所有器件。人们从Rube 的很多卡通作品中找到了乐趣，这是很好的事情。