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人類(lèi)真是非比尋常的‘動(dòng)物’，有時(shí)對(duì)于某些領(lǐng)域一知半解、自負(fù)和盲目自大比無(wú)知更危險(xiǎn)──例如在電路設(shè)計(jì)時(shí)，這可能導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作。當(dāng)看到有經(jīng)驗(yàn)的工程師猶豫不決時(shí)，某些人覺(jué)得自己還不如和沒(méi)經(jīng)驗(yàn)的人合作，甚至不明白為什么經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師反而進(jìn)退兩難。這里有三個(gè)例子，其中的簡(jiǎn)單分析能給電路板設(shè)計(jì)者帶來(lái)一些啟發(fā)，使其于未來(lái)的設(shè)計(jì)中避免類(lèi)似問(wèn)題。

 

有些情況下，PCB設(shè)計(jì)人員往往錯(cuò)誤理解元件的工作方式，以至于做出一些奇怪的假設(shè)，導(dǎo)致元件的錯(cuò)誤使用。不幸的是，現(xiàn)在的工程院校幾乎都把注意力集中在數(shù)位技術(shù)，甚至完全忽略了類(lèi)比設(shè)計(jì)。缺乏類(lèi)比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的數(shù)位工程師只能從試驗(yàn)、失敗中獲得類(lèi)比知識(shí)。這樣的結(jié)果可能會(huì)使Rube Goldberg為之得意。誰(shuí)是Rube Goldberg？他是一位曾經(jīng)獲得普立茲新聞獎(jiǎng)(Pulitzer Prize)的漫畫(huà)家，20世紀(jì)早期曾以一些荒誕的發(fā)明，將簡(jiǎn)單功能的機(jī)械組合復(fù)雜化，并以幽默戲謔的漫畫(huà)諷刺人們?nèi)绾螌⒑?jiǎn)單的事情極度復(fù)雜化而成名。

 

我們來(lái)考慮一些在類(lèi)比工程師眼中非?？膳碌那闆r，通常數(shù)位設(shè)計(jì)錯(cuò)誤認(rèn)知是：未意識(shí)到干凈的電源和接地對(duì)電路設(shè)計(jì)有多么重要，連接電路時(shí)不考慮直流阻抗匹配。忽略實(shí)體法則的設(shè)計(jì)最終會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

 

別被表面現(xiàn)象迷惑

資料手冊(cè)常常注明：“電源的去藕電容器要盡可能靠近IC的電源接腳放置。”如圖1所示的印刷電路板(PCB)，它們確實(shí)如此！

 

圖1：一個(gè)印刷電路板(PCB)布局、IC和電容器。

 

該電路板用于視訊混合訊號(hào)，圖1所示IC周?chē)€存在其它元件，這些周邊元件非常關(guān)鍵。這是一個(gè)四層板，訊號(hào)鏈路在最外兩層，類(lèi)比工程師通常將電源和接地分別布設(shè)在中間兩層。元件包括高頻類(lèi)比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)位/類(lèi)比轉(zhuǎn)換器(DAC)以及訊號(hào)處理電路。元件密度適中，沒(méi)有球閘陣列(BGA)封裝，不需要更多層或復(fù)雜布板。

 

測(cè)試這個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)視訊輸出雜訊非常大。而且，大多數(shù)雜訊都來(lái)自一個(gè)IC。圖1顯示了電路板的頂層圖，電源接腳測(cè)試到非常大的雜訊。當(dāng)用一根很細(xì)的導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)去藕電容器的接地層過(guò)孔，連接到電路板的另一側(cè)時(shí)，一條接腳(不在內(nèi)部地層)消失在另一過(guò)孔，這將引發(fā)一些問(wèn)題。

 

觀(guān)察電路布局，突顯出我們所感興趣的節(jié)點(diǎn)，并可看到所有連線(xiàn)，如圖2所示。

 

圖2. 使用PCB設(shè)計(jì)軟體得到的電路布局。

 

這些布線(xiàn)看起來(lái)是由數(shù)位電路自動(dòng)布線(xiàn)工具完成的，電路板PCB設(shè)計(jì)人員可能并不具備類(lèi)比電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。沒(méi)有內(nèi)部地層和電源層(參考AN4345有關(guān)接地技巧與合理布局)。

 

在沒(méi)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人眼里，這個(gè)電路完全正確，但是，因?yàn)樗械鼗祀s在一起。這種連接對(duì)于直流沒(méi)有問(wèn)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‘地彈雜訊’的示意圖。

 

圖2中的每個(gè)通路和過(guò)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(lián)的低頻電感。圖中，電感可以看作一個(gè)機(jī)械螺旋線(xiàn)電感；為方便解釋?zhuān)僭O(shè)積體電路為運(yùn)算放大器，但它可以是任何電路。

 

當(dāng)其它電路的電流改變時(shí)，‘接地彈力’符號(hào)上方左右兩端的數(shù)位電路及其它電路的雜訊會(huì)使電壓上下波動(dòng)。很多點(diǎn)都直接干擾到類(lèi)比訊號(hào)：

 

1)雜訊通過(guò)R1藕合到運(yùn)算放大器輸入。

2)雜訊藕合到運(yùn)算放大器的接地端。有人可能想借助‘電源抑制比’消除雜訊，但是，不要忘記，接地是其參考電位，這意味著雜訊將直接藕合到輸出訊號(hào)。

3)雜訊通過(guò)R2藕合到運(yùn)算放大器輸入。

4)雜訊通過(guò)去藕電容器與R1電阻，藕合到運(yùn)算放大器輸入。

 

注意：電容器是一個(gè)雙向元件，去藕電容器的作用是對(duì)電容器兩側(cè)的高頻訊號(hào)取平均。如果電源匯流排上有雜訊，而接地非常干凈，去藕電容器形成到電源的低阻迴路可有效降低雜訊。盡管如此，如果接地是高阻抗并存在很大雜訊，去藕電容器反而會(huì)把雜訊加到電源上。

 

如上所示，因?yàn)榕汉想s訊訊號(hào)有相位差，雜訊藕合到運(yùn)算放大器周?chē)母鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)，使得輸出非常嘈雜。圖中抖動(dòng)所示，所有雜訊都會(huì)迭加到輸出端。

 

輸出也受運(yùn)算放大器的非線(xiàn)性失真干擾，雜訊分量由此會(huì)產(chǎn)生和、差諧分波量，使整個(gè)頻譜充滿(mǎn)雜訊。

 

以上簡(jiǎn)單闡述良好的電源、接地層布局的重要性，對(duì)于沒(méi)有類(lèi)比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師，尤其值得注意。