別被表面現象迷惑，謹防模擬或數字電路的設計誤區

　　人類(lèi)是不同尋常的“動(dòng)物”，有些時(shí)候，在某些方面，一知半解、自負和盲目自大比無(wú)知更危險，比如電路設計，可能導致電路無(wú)法正常工作。當看到有經(jīng)驗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(gè)例子，其中的簡(jiǎn)單分析能給設計者一些啟發(fā)，在未來(lái)的設計中避免類(lèi)似問(wèn)題。

　　有些情況下，設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，導致器件的錯誤使用。不幸的是，現在的工程院校幾乎都把注意力集中在數字技術(shù)，幾乎完全忽略了模擬設計。使得沒(méi)有模擬設計經(jīng)驗的數字工程師只能從試驗、失敗中獲得模擬知識。由此產(chǎn)生的一些結果會(huì )使Rube Goldberg為之得意。（誰(shuí)是Rube Goldberg？他是一位曾經(jīng)獲得普利策獎的漫畫(huà)家。Rube Goldberg在20世紀早期通過(guò)一些荒誕的發(fā)明，實(shí)現簡(jiǎn)單功能復雜化而成名）

　　我們來(lái)考慮一些在模擬工程師眼里非?？膳碌那闆r，通常數字設計的錯誤認識是：沒(méi)有意識到干凈的電源和地對電路設計有多么重要，連接電路時(shí)不考慮直流阻抗匹配。忽略物理法則的設計最終會(huì )導致系統失效。

　　別被表面現象迷惑

　　數據手冊常常注明：“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(shí)如此！

　　圖1：一個(gè)印制電路板版圖（PCB），集成電路和電容。（點(diǎn)擊放大）

　　該電路板用于視頻混合信號，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，信號通路在最外兩層，模擬工程師通常將電源和地分別布設在中間兩層。器件包括高頻模/數轉換器（ADC）、數/模轉換器（DAC）以及信號處理電路。器件密度適中，沒(méi)有球柵陣列（BGA）封裝，不需要更多層或復雜布板。

　　測試這個(gè)設計時(shí)，我們發(fā)現視頻輸出噪聲非常大。而且，大多數噪聲都來(lái)自一個(gè)集成電路。圖1顯示了電路板的頂層圖，電源引腳測試到非常大的噪聲。當用一根很細的導線(xiàn)穿過(guò)去耦電容的地層過(guò)孔，連接到電路板的另一側時(shí)，一條引線(xiàn)（不在內部地層）消失在另一過(guò)孔，這將引發(fā)一些問(wèn)題。

　　人類(lèi)是不同尋常的“動(dòng)物”，有些時(shí)候，在某些方面，一知半解、自負和盲目自大比無(wú)知更危險，比如電路設計，可能導致電路無(wú)法正常工作。當看到有經(jīng)驗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(gè)例子，其中的簡(jiǎn)單分析能給設計者一些啟發(fā)，在未來(lái)的設計中避免類(lèi)似問(wèn)題。

　　有些情況下，設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，導致器件的錯誤使用。不幸的是，現在的工程院校幾乎都把注意力集中在數字技術(shù)，幾乎完全忽略了模擬設計。使得沒(méi)有模擬設計經(jīng)驗的數字工程師只能從試驗、失敗中獲得模擬知識。由此產(chǎn)生的一些結果會(huì )使Rube Goldberg為之得意。（誰(shuí)是Rube Goldberg？他是一位曾經(jīng)獲得普利策獎的漫畫(huà)家。Rube Goldberg在20世紀早期通過(guò)一些荒誕的發(fā)明，實(shí)現簡(jiǎn)單功能復雜化而成名）

　　我們來(lái)考慮一些在模擬工程師眼里非?？膳碌那闆r，通常數字設計的錯誤認識是：沒(méi)有意識到干凈的電源和地對電路設計有多么重要，連接電路時(shí)不考慮直流阻抗匹配。忽略物理法則的設計最終會(huì )導致系統失效。

　　別被表面現象迷惑

　　數據手冊常常注明：“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(shí)如此！

　　圖1：一個(gè)印制電路板版圖（PCB），集成電路和電容。（點(diǎn)擊放大）

　　該電路板用于視頻混合信號，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，信號通路在最外兩層，模擬工程師通常將電源和地分別布設在中間兩層。器件包括高頻模/數轉換器（ADC）、數/模轉換器（DAC）以及信號處理電路。器件密度適中，沒(méi)有球柵陣列（BGA）封裝，不需要更多層或復雜布板。

　　測試這個(gè)設計時(shí)，我們發(fā)現視頻輸出噪聲非常大。而且，大多數噪聲都來(lái)自一個(gè)集成電路。圖1顯示了電路板的頂層圖，電源引腳測試到非常大的噪聲。當用一根很細的導線(xiàn)穿過(guò)去耦電容的地層過(guò)孔，連接到電路板的另一側時(shí)，一條引線(xiàn)（不在內部地層）消失在另一過(guò)孔，這將引發(fā)一些問(wèn)題。

　　觀(guān)察電路布局，突出標示出我們感興趣的節點(diǎn)，可以看到所有連線(xiàn)，如圖2所示。

　　圖2. 使用PCB設計軟件得到的電路布局。（點(diǎn)擊放大）

這些布線(xiàn)看起來(lái)是由數字電路自動(dòng)布線(xiàn)工具完成的，電路板設計人員可能并不具備模擬電路設計經(jīng)驗。沒(méi)有內部地層和電源層（參考AN4345有關(guān)接地技巧與合理布局）。

　　在沒(méi)有設計經(jīng)驗的人眼里，這個(gè)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(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。（點(diǎn)擊放大）

　　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)機械螺旋線(xiàn)電感；為方便解釋?zhuān)僭O集成電路為運算放大器，但它可以是任何電路。

　　當其它電路的電流改變時(shí)，“地彈噪聲”符號上方左右兩端的數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：

　　1）噪聲通過(guò)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(zhù)噪聲將直接耦合到輸出信號。

　　3）噪聲通過(guò)R2耦合到運放輸入。

　　4）噪聲通過(guò)去耦電容與R1電阻，耦合到運放輸入。

　　注意：電容是一個(gè)雙向器件，去耦電容的作用是對電容兩側的高頻信號取平均。如果電源總線(xiàn)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，因為耦合噪聲信號有相位差，噪聲耦合到運放周?chē)母鱾€(gè)節點(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。

　　輸出也受運放的非線(xiàn)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(mǎn)噪聲。

　　以上簡(jiǎn)單闡述了良好的電源、地層布局的重要性，對于沒(méi)有模擬設計經(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(gè)例子，讓我們看看出現在一個(gè)射頻收發(fā)器評估板設計時(shí)遇到的問(wèn)題。設計者拿著(zhù)電路并把它輸入一個(gè)用于數字邏輯的PCB自動(dòng)布線(xiàn)工具。結果，電路板無(wú)法在射頻下工作，即使電路板符合Rube Goldberg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(xiàn)奇形怪狀，很難設計出一個(gè)直線(xiàn)天線(xiàn)。當這個(gè)設計者被問(wèn)及用來(lái)設計這種天線(xiàn)的軟件時(shí)，得到的回復不是天線(xiàn)設計軟件，而是聽(tīng)到設計者說(shuō)“那是留給我們放天線(xiàn)的地方”。

　　雖然這個(gè)設計者是一個(gè)很好的微處理器工程師，但他不知道天線(xiàn)尺寸是由信號波長(cháng)決定的，也沒(méi)有意識到地平面是另一半天線(xiàn)。在有經(jīng)驗的射頻工程師指導下，才能夠保證設計。

　　諧振原理