四舍五入数字、典型规格和模拟的危险

本教程强调了谨慎设计电路的重要性，并仔细思考设计的各个方面。很多时候，工程师被数据手册的规格引入歧途，要么是因为它们是四舍五入的，要么是因为工程师只记住了典型规格。无论出现哪个陷阱，设计都可能产生灾难性的结果。本文档解释了为什么依赖四舍五入的数字和典型规格，以及支持仿真而不是物理原型会导致电路失效。

四舍五入的数字并不总是相加

正如美国政治家亨利·克莱（Henry Clay）曾经说过的那样，“统计数据不能代替判断。1对于统计数据如此，对于数据手册规格也是如此。随着对设计工程师的要求不断提高，以及效率的溢价，乍一看很容易相信器件的规格。然而，逻辑必须占上风——无论是在电路设计中还是在现实世界中。工程师需要花时间充分考虑他们的设计，以避免因必要的（尽管有时具有误导性）规格四舍五入而导致的错误。

作为舍入陷阱的一个例子，一些带有输出缓冲器的数模转换器（DAC）具有数据手册中列出的相互矛盾的规格。例如，输出摆幅（无负载）为 0V （地） 至 V抄送，但零误差和失调最大值为地以上10mV。

输出缓冲器是一个运算放大器（op amp）。多年前，早期的运算放大器只能达到2V至3V的功率和地电压，因此当一个运算放大器设计为在毫伏以内的地时，这是一个大问题。一位营销天才创造了“轨到轨”一词2来描述零件，它已成为行业公认的通用术语。模拟工程师知道这不完全是一个真实的短语，但它很接近并且很容易说出来。

输出驱动器的传统配置（图1A）无法靠近电源轨，因为它耗尽电流并削断信号。图1B显示了一个轨到轨输出，如果负载较轻，可以接近电源轨。3

图1.输出级：A） 常规运算放大器输出;B） “轨到轨”输出。

至于DAC缓冲器或运算放大器，如果没有负载，则无法测量，因为不存在具有无限阻抗的仪表。而且我们知道每个实际电路都有有限的泄漏，因此输出只能接近零。

区别在于四舍五入或观察的密切程度。考虑被测电路板（图2）。我们使用显示5V摆幅的示波器（图2A）观察，该器件的输出似乎在5V和地之间摆动，因为误差远小于走线宽度。现在用 8 位数字和 1M 的万用表测量？输入阻抗（图 2B）。突然间，人们看穿了四舍五入的魔力——输出接近地面，但永远不会等于地面，而不会四舍五入许多数字。

图2.被测板：（A）用示波器观察;和 （B） 带万用表。

不熟悉的数字工程师可能会看到这个术语，并实际上认为运算放大器会接地。因此，他设计了DAC之后的下一个电路，使其必须归零才能正常工作。尽管实际上，DAC输出仅在几毫伏以内的地电压。

除了“典型”之外的任何东西

不幸的是，依靠四舍五入的数字并不是唯一可以愚弄经验不足（或过度劳累）的工程师的设计陷阱。此外，在设计时考虑典型规格并不是很好的做法，尤其是当设备要大量生产时。一位优秀的模拟工程朋友说：“你可以使任何电路中的一个工作。他的意思是，他可以选择像晶体管早期那样的组件，当时某些电路只有在对晶体管进行beta分类时才起作用。他可以手工调整电路，但没有人可以批量生产它。

“典型”是识别神话平均值的统计陈述;它对设备群中的点进行分类或命名。但是，在人口中可能没有一个部分等于平均值，因为平均值是整体的陈述，而不是个人的陈述。例如，让我们使用一串数字：1、2、7 和 10。总数是 20，除以 4 得到平均值 5。因此，数字字符串不包含平均数 （5），但它确实包含一个平均值 （7），这是最接近平均值的数字。这与马克吐温的一句话相对应：“人物经常迷惑我，尤其是当我自己安排它们时。

如果依赖于每个零件上的所有规格都是“典型”的，则有时特定电路可能无法正常工作。那么，为什么半导体制造商要在数据手册上引用典型规格呢？它们仅供一般指导。作为人类，我们在日常生活中做类似的事情。例如，我们可以谈论以“汽车长度”衡量的距离。有一次，安全专家建议在我们的车和我们前面的车之间留出空间。他们说，我们每行驶 10 英里，就要留出一辆车长的空间（每小时 6 英里意味着留下 8 辆车长的空间）。这是一般规则，而不是精确的测量。毕竟，他们指的是智能汽车（2英尺或6.1956米）或18年凯迪拉克™（5.5英尺或9.<>米）的长度。4)?今天，同样的安全专家建议在汽车通过道路上的固定点时观察前方，并每每小时 10 英里计算一秒。有人拿出秒表来测量吗？只有工程师才会想要测量纳秒——大多数人只是说，“一，一千;两个，一千“在他们的呼吸下来衡量这一点。

我们需要构建一个物理原型吗？

显然，有必要将不同的错误源添加到一起以正确评估系统错误。这就是为什么使用应用笔记很重要的原因5,6、计算器和设计工具作为指南，帮助评估精度、噪声、有效位数 （ENOB）、带隙和良率7,8.但是，工程师在讨论是否需要物理原型时，必须了解电路仿真的局限性。（注：关于物理原型的争论已经持续了几十年，这不会是关于这个主题的最终决定。

为了加快仿真（SIM）过程，工程师通常会简化器件模型。例如，在正常或正向偏置模式下对晶体管和其他部件进行建模是很常见的。这是合乎逻辑的，因为这些是最常用的模式。我们将研究一种早期的SIM方法，称为集成电路重点仿真程序（SPICE9），一种模拟电子电路模拟器，于 1970 年代初在加州大学伯克利分校率先推出。典型的NPN晶体管模型在晶体管正向偏置的情况下工作，作为发射极跟随器或增益级。

线性正向偏置NPN晶体管发射极跟随器（图3A）是在典型的SPICE模型中建模的。图3B为齐纳二极管。当基极与发射极短路时，晶体管变成齐纳二极管，如图3C所示。SPICE模型可以包括齐纳模式吗？当然，但它不是经常需要的，因此只会减慢模拟速度并使模拟复杂化。这只是加快SIM卡速度的一个快捷方式。很多时候，线性模式被认为是理所当然的，以至于没有指定电源。假设电源远离信号电压，因此器件永远不会在非线性模式下工作。工程师需要确保有足够的动力头部和脚部空间。事实上，在许多版本的SPICE运行之前，需要首先在单独的步骤中计算直流偏置点。这种晶体管模型限制只是仿真和物理原型不同的一个领域;几乎所有模型都最小化，以降低复杂性并减少仿真或运行时间。

图3.A 表示线性发射器跟随器;B是齐纳二极管;C是作为齐纳二极管连接的晶体管。

此外，有时数据手册并不清楚所有参数。前段时间，我在一家半导体公司工作，该公司不再在单个硅衬底上制造分立晶体管。有两个PNP和三个NPN晶体管一起制造，以便它们与温度匹配和跟踪良好。就在原型电路布置为PCB之前，一位工程师注意到这两个电路不能很好地跟踪温度。他决定在IC中使用四个晶体管。它们被用作两个达林顿连接的发射器跟随器。每个电路使用一个PNP和一个NPN。由于它们只是发射极跟随器取代分立晶体管发射极跟随器，并且时间紧迫，因此它们没有原型。电路板回来了，事情几乎可以工作——温度跟踪很好，但我们增加了巨大的差分增益和相位误差。这是我们第一次看到具有差分增益的发射极跟随器，因为当寄生集电极电容随集电极电压变化值时，通常在共发射极放大器中看到差分增益。与低频增益相比，它会导致高频增益发生变化。

发生此错误的原因是数据手册未指定将晶体管与基板隔离的反向偏置二极管是变电容二极管。变差帽10二极管，也称为“变容二极管”或“调谐二极管”，其电容随反向偏置二极管两端的电压变化。这是一个物理原型会揭示的惊喜。因此，教训是在决定不制作原型时要非常小心。对于表面贴装零件（几乎不可能手工连接原型），创建多个PCB布局是关键步骤。您的“原型”可能是三种布局中的第一个，最终的板希望是第三种布局。

结论

我们中的许多人都很幸运，有父母、祖父母和模拟导师提醒我们，在电子产品和生活中，没有真正的捷径。尽管在我们的设计中使用四舍五入的数字、典型规格和快速仿真很诱人，但我们必须问自己，从长远来看，这些捷径是否真的可以节省时间。数据手册规格和仿真无法与工程师最宝贵的资产（知识和判断）的价值相媲美。

审核编辑：郭婷