人類是不尋常的生物，因為有時部分知識、自我和錯位的信心比沒有學科知識更危險。對于電子設計，誤解和誤解可能導致電路無法按預期運行。對于沒有經驗的設計師來說，有些電路看起來應該可以工作。與此同時，經驗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。本應用筆記介紹了三個案例研究，說明一些簡單的分析和對物理定律的正確理解如何教育設計人員在未來的設計中避免類似問題。

介紹

當數字設計人員面對模擬系統時，誤解設備操作或設計要求會導致一些引人入勝的模擬“恐怖”故事。有時，數字設計師會誤解零件的工作原理（或應該工作），因此他們會做出奇怪的假設，從而導致濫用零件。可悲的是，作為一般規則，今天的工程學校專注于數字技術，而幾乎完全忽略了模擬設計。因此，缺乏經驗的數字工程師必須通過反復試驗來學習模擬。由此產生的一些設備會讓魯布·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。一些常見的數字誤解揭示了一些模擬事實：清潔能源和接地的重要性;連接電路級時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導致系統故障。

表面上很漂亮，但是...

數據手冊指出，“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，設計師就是這樣做的！

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。這是一個四層板，外兩層有信號跡線。經驗豐富的模擬工程師會期望電源層和接地層分別位于內部兩個平面上。事實上，該電路旨在用作視頻應用中的混合信號板。它具有帶有信號處理電路的高頻模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）。組件密度適中。沒有球柵陣列 （BGA） 封裝需要更多層來使布局復雜化。

在測試設計時，我們發現視頻輸出有噪點，實際上非常嘈雜。我們將大部分噪聲追溯到一個IC。圖 1 顯示了電路板頂部的布局。電源引腳上有一個巨大的噪聲信號。當一根細線穿過去耦電容的“接地”側，連接跟隨電路板的另一側時，有一條走線（不是內部接地層）消失在另一個過孔中。這種配置絕對很麻煩。通過在此處查看電路板布局程序，我們可以突出顯示所需的節點并查看所有連接。圖 2 是發現的內容的一部分。

圖2.使用 PCB 設計軟件查看電路板布局。

這些痕跡看起來像是由數字電路自動路由器完成的。確實如此，因為電路板布局設計人員在模擬方面缺乏經驗。沒有內部接地和電源層。（參見應用筆記4345：“接地良好，數字為模擬”，了解接地技巧和正確使用平面。對于沒有經驗的設計人員來說，電路看起來是正確的，因為所有接地都連接在一起。這種方法在華盛頓特區是正確的;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的每個走線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電感中。將您腦海中的電感器想象成機械螺旋彈簧。此處將IC繪制為運算放大器以簡化解釋，但它可以是任何電路。

當其他電路中的電流改變狀態時，地面反彈符號上方左右的數字電路和其他電路的噪聲正在上下移動電壓。因此，模擬信號在以下幾個點受到污染：

噪聲通過R1施加到運算放大器輸入端。

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

噪聲通過R2施加到運算放大器輸入端。

噪聲通過去耦電容和R1以上的電阻施加到運算放大器輸入端。

請記住，電容器是雙向器件。去耦電容器的工作是使電容器兩側的高頻均勻化。如果電壓總線上有噪聲，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，則去耦電容實際上會增加電壓總線的噪聲。

圖3中運算放大器周圍不同點增加的噪聲會使輸出端變得非常混亂，因為噪聲信號是用相位差添加的。所有噪聲都傾向于在輸出端增加，如彈性加號所示。輸出還受到運算放大器中小非線性的影響。噪聲乘以各種元素的各種非線性，從而產生諧波和差諧波，使噪聲濺射到整個頻譜中。

設計修復是對如何制造良好的接地和電源層的簡單解釋（您不希望在原始設計中看到電源走線 - 它們同樣存在問題。一旦沒有經驗的工程師和布局人員理解了這些概念，下一個布局就沒有噪音問題了。

具有不可能布局的模擬無線電

在無線電收發器評估板上發現問題。設計人員將原理圖輸入到專為數字邏輯設計的印刷電路板（PCB）自動布線器中。由此產生的電路板不能用作收音機;沒有接地層——它確實有資格成為魯布·戈德堡的另一個設計。

電路板上的關鍵信號路徑分散，通過過孔（電感）拼接，電源未正確解耦。然后板上的天線是一個奇怪的形狀。設計直線天線已經夠難的了。設計師被問及用于制造這種天線的軟件程序。我們原以為會聽到一個“偉大的新天線設計軟件工具”的發現，但設計師說，“這就是剩下的空間，所以我們把天線放在那里。

雖然設計師是一位優秀的微處理器工程師，但他不知道天線尺寸是由信號波長控制的。他也沒有將地平面作為天線的另一半的概念。另一個小組中一位知識淵博的無線電工程師保存了該設計。

這能引起你的共鳴嗎？

樂器和收音機利用共振來工作。每個是管道被調到一個特定的音符。當我們把收音機從一個電臺（頻率）調到另一個電臺時，共振可以幫助我們選擇一個電臺并拒絕所有其他電臺。

無線電天線的尺寸被調諧為在特定頻率下共振，但問題就在這里。在從事汽車項目時，一位設計師希望通過在汽車發動機艙內放置天線來實現遠距離通信。這是一種售后市場產品，需要在任何汽車發動機艙的金屬引擎蓋下發送和接收。

設計師認為汽車的發動機艙會形成一個特定頻率的共振腔并放大信號。不幸的是，共振腔需要精確的設計，并且由于每種車型都有不同尺寸的發動機艙，因此很難實現共振。此外，設計人員不想為符合高溫標準的組件支付汽車價格。

由于不了解發動機艙很熱，設計師錯誤地期望最高額定溫度為 70°C 的消費級部件能夠生存。一位經驗豐富的無線電工程師被要求修復設計。

通過數字和模擬接地將噪聲降至最低

MAX541 16位DAC在同一封裝中結合了模擬和數字：模擬接地和數字接地引腳。該器件的數據手冊解釋了如何連接它們以及如何將星點用于接地層。

地面條款可能具有誤導性。與模擬和數字相比，清潔和骯臟可能是更好的描述。如應用筆記4345“接地良好，數字即模擬”中所述，由于閾值效應，數字電路可以忽略一些噪聲。模擬電路不能忽視這種噪聲。對于數據轉換器，必須小心連接數字和模擬接地。當系統由許多ADC和DAC組成時尤其如此;以星形配置連接接地層需要技能和經驗。此外，模擬和數字平面需要在每個數據轉換器上交叉連接。這里的目標是使主要電流返回電源，而交叉連接中的電流很小。專業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交叉連接到直流電。經驗允許人們最大限度地減少電路板布局的數量，但唯一確定的方法是通過經驗和迭代優化電路布局并減少噪聲問題。

結論

不幸的是，所有部件都可能被誤用和濫用。經驗也是一位很棒的老師。大多數時候，事后諸葛亮允許我們改進設計，因為我們想知道為什么我們沒有早點看到明顯的東西。

最后，沒有一個零件可以為每個設計和每個設計師做所有事情。這是一個很好的教訓。無論魯布·戈德堡（Rube Goldberg）嘗試了多少，他的一個裝置都無法將每個部件都納入每個應用程序中。這是一件好事，因為人們世世代代都喜歡魯布的許多漫畫。

審核編輯：郭婷