人類是不同尋常的動物，有些時候，在某些方面，一知半解、自負和盲目自大比無知更危險，比如電路設計，可能導致電路無法正常工作。當看到有經驗的工程師猶豫不決時，某些人覺得自己還不如和沒有經驗的人合作，不明白為什么這些經驗豐富的工程師反而進退兩難。這里有三個例子，其中的簡單分析能給設計者一些啟發(fā)，在未來的設計中避免類似問題。

　　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，幾乎完全忽略了模擬設計。使得沒有模擬設計經驗的數字工程師只能從試驗、失敗中獲得模擬知識。由此產生的一些結果會使Rube Goldberg為之得意。（誰是Rube Goldberg？他是一位曾經獲得普利策獎的漫畫家。Rube Goldberg在20世紀早期通過一些荒誕的發(fā)明，實現簡單功能復雜化而成名）

　　我們來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，連接電路時不考慮直流阻抗匹配。忽略物理法則的設計最終會導致系統失效。

　　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。如圖1所示印制電路板（PCB），它們確實如此！

　　圖1：一個印制電路板版圖（PCB），集成電路和電容。（點擊放大）

　　該電路板用于視頻混合信號，圖1所示集成電路周圍還存在其它器件，這些周邊器件非常關鍵。這是一個四層板，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，沒有球柵陣列（BGA）封裝，不需要更多層或復雜布板。

　　測試這個設計時，我們發(fā)現視頻輸出噪聲非常大。而且，大多數噪聲都來自一個集成電路。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穿過去耦電容的地層過孔，連接到電路板的另一側時，一條引線（不在內部地層）消失在另一過孔，這將引發(fā)一些問題。

　　觀察電路布局，突出標示出我們感興趣的節(jié)點，可以看到所有連線，如圖2所示。

　　圖2. 使用PCB設計軟件得到的電路布局。（點擊放大）

  這些布線看起來是由數字電路自動布線工具完成的，電路板設計人員可能并不具備模擬電路設計經驗。沒有內部地層和電源層（參考AN4345有關接地技巧與合理布局）。

　　在沒有設計經驗的人眼里，這個電路完全正確，但是，因為所有地混雜在一起。這種連接對于直流沒有問題，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。（點擊放大）

　　圖2中的每個通路和過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的低頻電感。圖中，電感可以看作一個機械螺旋線電感；為方便解釋，假設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，“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使電壓上下波動。在很多點直接干擾到模擬信號：

　　1）噪聲通過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，這意味著噪聲將直接耦合到輸出信號。

　　3）噪聲通過R2耦合到運放輸入。

　　4）噪聲通過去耦電容與R1電阻，耦合到運放輸入。

　　注意：電容是一個雙向器件，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，噪聲耦合到運放周圍的各個節(jié)點，使得輸出非常嘈雜。圖中抖動所示，所有噪聲都會疊加到輸出端。

　　輸出也受運放的非線性失真干擾，噪聲分量由此會產生和、差諧波分量，使整個頻譜充滿噪聲。

　　以上簡單闡述了良好的電源、地層布局的重要性，對于沒有模擬設計經驗的工程師，尤其值得注意。

　　射頻電路的不合理布局

　　另一個例子，讓我們看看出現在一個射頻收發(fā)器評估板設計時遇到的問題。設計者拿著電路并把它輸入一個用于數字邏輯的PCB自動布線工具。結果，電路板無法在射頻下工作，即使電路板符合Rube Goldberg要求。

　　板子的關鍵通路都是分散的，并通過過孔（電感）連接，電源沒有合理的去耦。板上天線奇形怪狀，很難設計出一個直線天線。當這個設計者被問及用來設計這種天線的軟件時，得到的回復不是天線設計軟件，而是聽到設計者說“那是留給我們放天線的地方”。

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

　　諧振原理

　　樂器和射頻設備都利用共振來工作。圖4展示的是一組管風琴，每根管子都被調到一個固定的音符上。而當我們從一個地方發(fā)射無線電到另一個地方，諧振將幫助我們選擇一個信號，而拒絕所有其它信號。

　　圖4：美國一所教堂中的管風琴。（點擊放大）

　　調節(jié)射頻天線尺寸使它諧振在指定頻率，但仍然存在問題。在汽車環(huán)境工作時，設計者把天線放在引擎室以期實現遠距離通信，這是一個汽車配件，需要在汽車引擎金屬蓋下進行接收和發(fā)射。

　　設計者認為汽車引擎室在指定頻率下會形成一個諧振腔并放大信號。不幸的是，諧振腔需要精確的設計，而不同的汽車有不同的引擎室尺寸，很難獲得諧振。此外，設計者不想為了滿足汽車的高溫工作要求，而為器件花大價錢。

　　設計者不理解引擎室溫度很高，仍希望消費類產品在最高70℃的溫度下能僥幸工作。

　　數?；旌掀骷鏜AX541 16位數/模轉換器，通常有一個引腳作為模擬地，另一個地為數字地。在MAX541的數據手冊中，第九頁和第十頁解釋了如何把它們連在一起，并采用星型連接。這個對地描述的術語可能容易造成誤解，不使用模擬和數字，而使用“干凈和嘈雜”可能更容易理解。

　　正如應用筆記4345所述，“良好的接地，數字也是模擬”，因為閾值效應，數字電路能忽略一些噪聲，而模擬電路不能。在數據轉換器中，數字和模擬地的連接方法需要非常小心，尤其當系統由很多ADC、DAC組成時，把一個地平面連成星型的經驗和技巧是必須。

　　同時，在每個數據轉換器中，模擬和數字平面需要交叉連接，目的是將主電流返回到電源，而幾乎沒有什么電流消耗在交叉點。專業(yè)的工程師會使用電阻、磁珠或電感作為交點以傳導為頻率函數的電流。經驗允許版圖最小化，但唯一確定的方法是根據經驗反復的優(yōu)化電路版圖以降低噪聲。

　　不幸的是，所有的器件都有可能被誤用或濫用，經驗是最好的老師。學生在學校時，可能必須死記一些知識。所幸的是，通過分享這些經驗，我們能避免其他工程師尋找突破口時的痛苦。節(jié)省下來的時間我們可以用來改進設計，而不必撓著腦袋為沒有很快看到結果而煩惱。

　　對每個工程師來說，沒有一個器件是萬能的，不管Rube Goldberg如何試驗，一個設備不能集成每個應用的所有器件。人們從Rube的很多卡通作品中找到了樂趣，這是很好的事情。