避免使系統(tǒng)運(yùn)行處于危險(xiǎn)之中的設(shè)計(jì)誤解

人類(lèi)是不尋常的生物，因?yàn)橛袝r(shí)部分知識(shí)、自我和錯(cuò)位的信心比沒(méi)有學(xué)科知識(shí)更危險(xiǎn)。對(duì)于電子設(shè)計(jì)，誤解和誤解可能導(dǎo)致電路無(wú)法按預(yù)期運(yùn)行。對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，有些電路看起來(lái)應(yīng)該可以工作。與此同時(shí)，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師畏縮不前，想知道有人如何讓自己陷入這樣的修復(fù)。本應(yīng)用筆記介紹了三個(gè)案例研究，說(shuō)明一些簡(jiǎn)單的分析和對(duì)物理定律的正確理解如何教育設(shè)計(jì)人員在未來(lái)的設(shè)計(jì)中避免類(lèi)似問(wèn)題。

介紹

當(dāng)數(shù)字設(shè)計(jì)人員面對(duì)模擬系統(tǒng)時(shí)，誤解設(shè)備操作或設(shè)計(jì)要求會(huì)導(dǎo)致一些引人入勝的模擬“恐怖”故事。有時(shí)，數(shù)字設(shè)計(jì)師會(huì)誤解零件的工作原理（或應(yīng)該工作），因此他們會(huì)做出奇怪的假設(shè)，從而導(dǎo)致濫用零件?？杀氖牵鳛橐话阋?guī)則，今天的工程學(xué)校專(zhuān)注于數(shù)字技術(shù)，而幾乎完全忽略了模擬設(shè)計(jì)。因此，缺乏經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字工程師必須通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)模擬。由此產(chǎn)生的一些設(shè)備會(huì)讓魯布·戈德堡感到自豪。

本文從模擬工程師的角度考慮了一些恐怖故事。一些常見(jiàn)的數(shù)字誤解揭示了一些模擬事實(shí)：清潔能源和接地的重要性;連接電路級(jí)時(shí)可以忽略阻抗直流電平匹配;也許最重要的是，忽視物理定律最終會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

表面上很漂亮，但是...

數(shù)據(jù)手冊(cè)指出，“將電源去耦電容放置在盡可能靠近IC的電源引腳的位置。如圖 1 所示，設(shè)計(jì)師就是這樣做的！

圖1.顯示 IC 和電容器的印刷電路板 （PCB） 布局。

其他元件圍繞圖1 IC，但這些元件是最重要的。這是一個(gè)四層板，外兩層有信號(hào)跡線(xiàn)。經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師會(huì)期望電源層和接地層分別位于內(nèi)部?jī)蓚€(gè)平面上。事實(shí)上，該電路旨在用作視頻應(yīng)用中的混合信號(hào)板。它具有帶有信號(hào)處理電路的高頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。組件密度適中。沒(méi)有球柵陣列 （BGA） 封裝需要更多層來(lái)使布局復(fù)雜化。

在測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)視頻輸出有噪點(diǎn)，實(shí)際上非常嘈雜。我們將大部分噪聲追溯到一個(gè)IC。圖 1 顯示了電路板頂部的布局。電源引腳上有一個(gè)巨大的噪聲信號(hào)。當(dāng)一根細(xì)線(xiàn)穿過(guò)去耦電容的“接地”側(cè)，連接跟隨電路板的另一側(cè)時(shí)，有一條走線(xiàn)（不是內(nèi)部接地層）消失在另一個(gè)過(guò)孔中。這種配置絕對(duì)很麻煩。通過(guò)在此處查看電路板布局程序，我們可以突出顯示所需的節(jié)點(diǎn)并查看所有連接。圖 2 是發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容的一部分。

圖2.使用 PCB 設(shè)計(jì)軟件查看電路板布局。

這些痕跡看起來(lái)像是由數(shù)字電路自動(dòng)路由器完成的。確實(shí)如此，因?yàn)殡娐钒宀季衷O(shè)計(jì)人員在模擬方面缺乏經(jīng)驗(yàn)。沒(méi)有內(nèi)部接地和電源層。（參見(jiàn)應(yīng)用筆記4345：“接地良好，數(shù)字為模擬”，了解接地技巧和正確使用平面。對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，電路看起來(lái)是正確的，因?yàn)樗薪拥囟歼B接在一起。這種方法在華盛頓特區(qū)是正確的;但在工作頻率下，等效電路具有許多寄生元件，如圖3所示。

圖3.一種可視化電路中地面反彈的方法。

圖2的每個(gè)走線(xiàn)和通孔都包含電阻和電感。在圖3中，這些分布式寄生元件被折疊到靠近圖下部中心的地面的單串聯(lián)電感中。將您腦海中的電感器想象成機(jī)械螺旋彈簧。此處將IC繪制為運(yùn)算放大器以簡(jiǎn)化解釋?zhuān)梢允侨魏坞娐贰?/p>

當(dāng)其他電路中的電流改變狀態(tài)時(shí)，地面反彈符號(hào)上方左右的數(shù)字電路和其他電路的噪聲正在上下移動(dòng)電壓。因此，模擬信號(hào)在以下幾個(gè)點(diǎn)受到污染：

噪聲通過(guò)R1施加到運(yùn)算放大器輸入端。

噪聲施加于運(yùn)算放大器的接地引腳（是的，有電源抑制比（PSRR）規(guī)格，但使用接地作為基準(zhǔn)。這意味著噪聲直接添加到輸出信號(hào)中。

噪聲通過(guò)R2施加到運(yùn)算放大器輸入端。

噪聲通過(guò)去耦電容和R1以上的電阻施加到運(yùn)算放大器輸入端。

請(qǐng)記住，電容器是雙向器件。去耦電容器的工作是使電容器兩側(cè)的高頻均勻化。如果電壓總線(xiàn)上有噪聲，并且接地是電源的干凈、低阻抗返回路徑，則去耦電容可以幫助降低噪聲。但是，如果接地具有高阻抗和大量噪聲，則去耦電容實(shí)際上會(huì)增加電壓總線(xiàn)的噪聲。

圖3中運(yùn)算放大器周?chē)煌c(diǎn)增加的噪聲會(huì)使輸出端變得非?；靵y，因?yàn)樵肼曅盘?hào)是用相位差添加的。所有噪聲都傾向于在輸出端增加，如彈性加號(hào)所示。輸出還受到運(yùn)算放大器中小非線(xiàn)性的影響。噪聲乘以各種元素的各種非線(xiàn)性，從而產(chǎn)生諧波和差諧波，使噪聲濺射到整個(gè)頻譜中。

設(shè)計(jì)修復(fù)是對(duì)如何制造良好的接地和電源層的簡(jiǎn)單解釋?zhuān)幌Ｍ谠荚O(shè)計(jì)中看到電源走線(xiàn) - 它們同樣存在問(wèn)題。一旦沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的工程師和布局人員理解了這些概念，下一個(gè)布局就沒(méi)有噪音問(wèn)題了。

具有不可能布局的模擬無(wú)線(xiàn)電

在無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器評(píng)估板上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員將原理圖輸入到專(zhuān)為數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的印刷電路板（PCB）自動(dòng)布線(xiàn)器中。由此產(chǎn)生的電路板不能用作收音機(jī);沒(méi)有接地層——它確實(shí)有資格成為魯布·戈德堡的另一個(gè)設(shè)計(jì)。

電路板上的關(guān)鍵信號(hào)路徑分散，通過(guò)過(guò)孔（電感）拼接，電源未正確解耦。然后板上的天線(xiàn)是一個(gè)奇怪的形狀。設(shè)計(jì)直線(xiàn)天線(xiàn)已經(jīng)夠難的了。設(shè)計(jì)師被問(wèn)及用于制造這種天線(xiàn)的軟件程序。我們?cè)詾闀?huì)聽(tīng)到一個(gè)“偉大的新天線(xiàn)設(shè)計(jì)軟件工具”的發(fā)現(xiàn)，但設(shè)計(jì)師說(shuō)，“這就是剩下的空間，所以我們把天線(xiàn)放在那里。

雖然設(shè)計(jì)師是一位優(yōu)秀的微處理器工程師，但他不知道天線(xiàn)尺寸是由信號(hào)波長(zhǎng)控制的。他也沒(méi)有將地平面作為天線(xiàn)的另一半的概念。另一個(gè)小組中一位知識(shí)淵博的無(wú)線(xiàn)電工程師保存了該設(shè)計(jì)。

這能引起你的共鳴嗎？

樂(lè)器和收音機(jī)利用共振來(lái)工作。每個(gè)是管道被調(diào)到一個(gè)特定的音符。當(dāng)我們把收音機(jī)從一個(gè)電臺(tái)（頻率）調(diào)到另一個(gè)電臺(tái)時(shí)，共振可以幫助我們選擇一個(gè)電臺(tái)并拒絕所有其他電臺(tái)。

無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)的尺寸被調(diào)諧為在特定頻率下共振，但問(wèn)題就在這里。在從事汽車(chē)項(xiàng)目時(shí)，一位設(shè)計(jì)師希望通過(guò)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)放置天線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。這是一種售后市場(chǎng)產(chǎn)品，需要在任何汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的金屬引擎蓋下發(fā)送和接收。

設(shè)計(jì)師認(rèn)為汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙會(huì)形成一個(gè)特定頻率的共振腔并放大信號(hào)。不幸的是，共振腔需要精確的設(shè)計(jì)，并且由于每種車(chē)型都有不同尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)艙，因此很難實(shí)現(xiàn)共振。此外，設(shè)計(jì)人員不想為符合高溫標(biāo)準(zhǔn)的組件支付汽車(chē)價(jià)格。

由于不了解發(fā)動(dòng)機(jī)艙很熱，設(shè)計(jì)師錯(cuò)誤地期望最高額定溫度為 70°C 的消費(fèi)級(jí)部件能夠生存。一位經(jīng)驗(yàn)豐富的無(wú)線(xiàn)電工程師被要求修復(fù)設(shè)計(jì)。

通過(guò)數(shù)字和模擬接地將噪聲降至最低

MAX541 16位DAC在同一封裝中結(jié)合了模擬和數(shù)字：模擬接地和數(shù)字接地引腳。該器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)解釋了如何連接它們以及如何將星點(diǎn)用于接地層。

地面條款可能具有誤導(dǎo)性。與模擬和數(shù)字相比，清潔和骯臟可能是更好的描述。如應(yīng)用筆記4345“接地良好，數(shù)字即模擬”中所述，由于閾值效應(yīng)，數(shù)字電路可以忽略一些噪聲。模擬電路不能忽視這種噪聲。對(duì)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，必須小心連接數(shù)字和模擬接地。當(dāng)系統(tǒng)由許多ADC和DAC組成時(shí)尤其如此;以星形配置連接接地層需要技能和經(jīng)驗(yàn)。此外，模擬和數(shù)字平面需要在每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器上交叉連接。這里的目標(biāo)是使主要電流返回電源，而交叉連接中的電流很小。專(zhuān)業(yè)工程師可以使用電阻器、鐵氧體磁珠或電感器作為頻率的函數(shù)交叉連接到直流電。經(jīng)驗(yàn)允許人們最大限度地減少電路板布局的數(shù)量，但唯一確定的方法是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和迭代優(yōu)化電路布局并減少噪聲問(wèn)題。

結(jié)論

不幸的是，所有部件都可能被誤用和濫用。經(jīng)驗(yàn)也是一位很棒的老師。大多數(shù)時(shí)候，事后諸葛亮允許我們改進(jìn)設(shè)計(jì)，因?yàn)槲覀兿胫罏槭裁次覀儧](méi)有早點(diǎn)看到明顯的東西。

最后，沒(méi)有一個(gè)零件可以為每個(gè)設(shè)計(jì)和每個(gè)設(shè)計(jì)師做所有事情。這是一個(gè)很好的教訓(xùn)。無(wú)論魯布·戈德堡（Rube Goldberg）嘗試了多少，他的一個(gè)裝置都無(wú)法將每個(gè)部件都納入每個(gè)應(yīng)用程序中。這是一件好事，因?yàn)槿藗兪朗来枷矚g魯布的許多漫畫(huà)。

審核編輯：郭婷