避免使系统运行处于危险之中的设计误解

人类是不寻常的生物，因为有时部分知识、自我和错位的信心比没有学科知识更危险。对于电子设计，误解和误解可能导致电路无法按预期运行。对于没有经验的设计师来说，有些电路看起来应该可以工作。与此同时，经验丰富的工程师畏缩不前，想知道有人如何让自己陷入这样的修复。本应用笔记介绍了三个案例研究，说明一些简单的分析和对物理定律的正确理解如何教育设计人员在未来的设计中避免类似问题。

介绍

当数字设计人员面对模拟系统时，误解设备操作或设计要求会导致一些引人入胜的模拟“恐怖”故事。有时，数字设计师会误解零件的工作原理（或应该工作），因此他们会做出奇怪的假设，从而导致滥用零件。可悲的是，作为一般规则，今天的工程学校专注于数字技术，而几乎完全忽略了模拟设计。因此，缺乏经验的数字工程师必须通过反复试验来学习模拟。由此产生的一些设备会让鲁布·戈德堡感到自豪。

本文从模拟工程师的角度考虑了一些恐怖故事。一些常见的数字误解揭示了一些模拟事实：清洁能源和接地的重要性;连接电路级时可以忽略阻抗直流电平匹配;也许最重要的是，忽视物理定律最终会导致系统故障。

表面上很漂亮，但是...

数据手册指出，“将电源去耦电容放置在尽可能靠近IC的电源引脚的位置。如图 1 所示，设计师就是这样做的！

图1.显示 IC 和电容器的印刷电路板 （PCB） 布局。

其他元件围绕图1 IC，但这些元件是最重要的。这是一个四层板，外两层有信号迹线。经验丰富的模拟工程师会期望电源层和接地层分别位于内部两个平面上。事实上，该电路旨在用作视频应用中的混合信号板。它具有带有信号处理电路的高频模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。组件密度适中。没有球栅阵列 （BGA） 封装需要更多层来使布局复杂化。

在测试设计时，我们发现视频输出有噪点，实际上非常嘈杂。我们将大部分噪声追溯到一个IC。图 1 显示了电路板顶部的布局。电源引脚上有一个巨大的噪声信号。当一根细线穿过去耦电容的“接地”侧，连接跟随电路板的另一侧时，有一条走线（不是内部接地层）消失在另一个过孔中。这种配置绝对很麻烦。通过在此处查看电路板布局程序，我们可以突出显示所需的节点并查看所有连接。图 2 是发现的内容的一部分。

图2.使用 PCB 设计软件查看电路板布局。

这些痕迹看起来像是由数字电路自动路由器完成的。确实如此，因为电路板布局设计人员在模拟方面缺乏经验。没有内部接地和电源层。（参见应用笔记4345：“接地良好，数字为模拟”，了解接地技巧和正确使用平面。对于没有经验的设计人员来说，电路看起来是正确的，因为所有接地都连接在一起。这种方法在华盛顿特区是正确的;但在工作频率下，等效电路具有许多寄生元件，如图3所示。

图3.一种可视化电路中地面反弹的方法。

图2的每个走线和通孔都包含电阻和电感。在图3中，这些分布式寄生元件被折叠到靠近图下部中心的地面的单串联电感中。将您脑海中的电感器想象成机械螺旋弹簧。此处将IC绘制为运算放大器以简化解释，但它可以是任何电路。

当其他电路中的电流改变状态时，地面反弹符号上方左右的数字电路和其他电路的噪声正在上下移动电压。因此，模拟信号在以下几个点受到污染：

噪声通过R1施加到运算放大器输入端。

噪声施加于运算放大器的接地引脚（是的，有电源抑制比（PSRR）规格，但使用接地作为基准。这意味着噪声直接添加到输出信号中。

噪声通过R2施加到运算放大器输入端。

噪声通过去耦电容和R1以上的电阻施加到运算放大器输入端。

请记住，电容器是双向器件。去耦电容器的工作是使电容器两侧的高频均匀化。如果电压总线上有噪声，并且接地是电源的干净、低阻抗返回路径，则去耦电容可以帮助降低噪声。但是，如果接地具有高阻抗和大量噪声，则去耦电容实际上会增加电压总线的噪声。

图3中运算放大器周围不同点增加的噪声会使输出端变得非常混乱，因为噪声信号是用相位差添加的。所有噪声都倾向于在输出端增加，如弹性加号所示。输出还受到运算放大器中小非线性的影响。噪声乘以各种元素的各种非线性，从而产生谐波和差谐波，使噪声溅射到整个频谱中。

设计修复是对如何制造良好的接地和电源层的简单解释（您不希望在原始设计中看到电源走线 - 它们同样存在问题。一旦没有经验的工程师和布局人员理解了这些概念，下一个布局就没有噪音问题了。

具有不可能布局的模拟无线电

在无线电收发器评估板上发现问题。设计人员将原理图输入到专为数字逻辑设计的印刷电路板（PCB）自动布线器中。由此产生的电路板不能用作收音机;没有接地层——它确实有资格成为鲁布·戈德堡的另一个设计。

电路板上的关键信号路径分散，通过过孔（电感）拼接，电源未正确解耦。然后板上的天线是一个奇怪的形状。设计直线天线已经够难的了。设计师被问及用于制造这种天线的软件程序。我们原以为会听到一个“伟大的新天线设计软件工具”的发现，但设计师说，“这就是剩下的空间，所以我们把天线放在那里。

虽然设计师是一位优秀的微处理器工程师，但他不知道天线尺寸是由信号波长控制的。他也没有将地平面作为天线的另一半的概念。另一个小组中一位知识渊博的无线电工程师保存了该设计。

这能引起你的共鸣吗？

乐器和收音机利用共振来工作。每个是管道被调到一个特定的音符。当我们把收音机从一个电台（频率）调到另一个电台时，共振可以帮助我们选择一个电台并拒绝所有其他电台。

无线电天线的尺寸被调谐为在特定频率下共振，但问题就在这里。在从事汽车项目时，一位设计师希望通过在汽车发动机舱内放置天线来实现远距离通信。这是一种售后市场产品，需要在任何汽车发动机舱的金属引擎盖下发送和接收。

设计师认为汽车的发动机舱会形成一个特定频率的共振腔并放大信号。不幸的是，共振腔需要精确的设计，并且由于每种车型都有不同尺寸的发动机舱，因此很难实现共振。此外，设计人员不想为符合高温标准的组件支付汽车价格。

由于不了解发动机舱很热，设计师错误地期望最高额定温度为 70°C 的消费级部件能够生存。一位经验丰富的无线电工程师被要求修复设计。

通过数字和模拟接地将噪声降至最低

MAX541 16位DAC在同一封装中结合了模拟和数字：模拟接地和数字接地引脚。该器件的数据手册解释了如何连接它们以及如何将星点用于接地层。

地面条款可能具有误导性。与模拟和数字相比，清洁和肮脏可能是更好的描述。如应用笔记4345“接地良好，数字即模拟”中所述，由于阈值效应，数字电路可以忽略一些噪声。模拟电路不能忽视这种噪声。对于数据转换器，必须小心连接数字和模拟接地。当系统由许多ADC和DAC组成时尤其如此;以星形配置连接接地层需要技能和经验。此外，模拟和数字平面需要在每个数据转换器上交叉连接。这里的目标是使主要电流返回电源，而交叉连接中的电流很小。专业工程师可以使用电阻器、铁氧体磁珠或电感器作为频率的函数交叉连接到直流电。经验允许人们最大限度地减少电路板布局的数量，但唯一确定的方法是通过经验和迭代优化电路布局并减少噪声问题。

结论

不幸的是，所有部件都可能被误用和滥用。经验也是一位很棒的老师。大多数时候，事后诸葛亮允许我们改进设计，因为我们想知道为什么我们没有早点看到明显的东西。

最后，没有一个零件可以为每个设计和每个设计师做所有事情。这是一个很好的教训。无论鲁布·戈德堡（Rube Goldberg）尝试了多少，他的一个装置都无法将每个部件都纳入每个应用程序中。

审核编辑：郭婷