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人類真是非比尋常的‘動物’，有時對于某些領域一知半解、自負和盲目自大比無知更危險──例如在電路設計時，這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經驗的人合作，甚至不明白為什么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電路板設計者帶來一些啟發，使其于未來的設計中避免類似問題。

 

有些情況下，PCB設計人員往往錯誤理解元件的工作方式，以至于做出一些奇怪的假設，導致元件的錯誤使用。不幸的是，現在的工程院校幾乎都把注意力集中在數位技術，甚至完全忽略了類比設計。缺乏類比設計經驗的數位工程師只能從試驗、失敗中獲得類比知識。這樣的結果可能會使Rube Goldberg為之得意。誰是Rube Goldberg？他是一位曾經獲得普立茲新聞獎(Pulitzer Prize)的漫畫家，20世紀早期曾以一些荒誕的發明，將簡單功能的機械組合復雜化，并以幽默戲謔的漫畫諷刺人們如何將簡單的事情極度復雜化而成名。

 

我們來考慮一些在類比工程師眼中非常可怕的情況，通常數位設計錯誤認知是：未意識到干凈的電源和接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。忽略實體法則的設計最終會導致系統失效。

 

別被表面現象迷惑

資料手冊常常注明：“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)，它們確實如此！

 

圖1：一個印刷電路板(PCB)布局、IC和電容器。

 

該電路板用于視訊混合訊號，圖1所示IC周圍還存在其它元件，這些周邊元件非常關鍵。這是一個四層板，訊號鏈路在最外兩層，類比工程師通常將電源和接地分別布設在中間兩層。元件包括高頻類比/數位轉換器(ADC)、數位/類比轉換器(DAC)以及訊號處理電路。元件密度適中，沒有球閘陣列(BGA)封裝，不需要更多層或復雜布板。

 

測試這個設計時，我們發現視訊輸出雜訊非常大。而且，大多數雜訊都來自一個IC。圖1顯示了電路板的頂層圖，電源接腳測試到非常大的雜訊。當用一根很細的導線穿過去藕電容器的接地層過孔，連接到電路板的另一側時，一條接腳(不在內部地層)消失在另一過孔，這將引發一些問題。

 

觀察電路布局，突顯出我們所感興趣的節點，并可看到所有連線，如圖2所示。

 

圖2. 使用PCB設計軟體得到的電路布局。

 

這些布線看起來是由數位電路自動布線工具完成的，電路板PCB設計人員可能并不具備類比電路設計經驗。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‘地彈雜訊’的示意圖。

 

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，假設積體電路為運算放大器，但它可以是任何電路。

 

當其它電路的電流改變時，‘接地彈力’符號上方左右兩端的數位電路及其它電路的雜訊會使電壓上下波動。很多點都直接干擾到類比訊號：

 

1)雜訊通過R1藕合到運算放大器輸入。

2)雜訊藕合到運算放大器的接地端。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。

3)雜訊通過R2藕合到運算放大器輸入。

4)雜訊通過去藕電容器與R1電阻，藕合到運算放大器輸入。

 

注意：電容器是一個雙向元件，去藕電容器的作用是對電容器兩側的高頻訊號取平均。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，去藕電容器反而會把雜訊加到電源上。

 

如上所示，因為藕合雜訊訊號有相位差，雜訊藕合到運算放大器周圍的各個節點，使得輸出非常嘈雜。圖中抖動所示，所有雜訊都會迭加到輸出端。

 

輸出也受運算放大器的非線性失真干擾，雜訊分量由此會產生和、差諧分波量，使整個頻譜充滿雜訊。

 

以上簡單闡述良好的電源、接地層布局的重要性，對于沒有類比設計經驗的工程師，尤其值得注意。