别被表面现象迷惑，谨防模拟或数字电路的设计误区

在没有设计经验的人眼里，这个电路完全正确，但是，因为所有地混杂在一起。这种连接对于直流没有问题，但在一定工作频率下，其等效电路上存在较大的寄生成分，如图3所示。

　　图3. 电路中“地弹噪声”的示意图。（点击放大）

　　图2中的每个通路和过孔都存在寄生电阻和电感。图3中，把这些分布寄生单元等效成与地串联的低频电感。图中，电感可以看作一个机械螺旋线电感；为方便解释，假设集成电路为运算放大器，但它可以是任何电路。

　　当其它电路的电流改变时，“地弹噪声”符号上方左右两端的数字电路及其它电路的噪声会使电压上下波动。在很多点直接干扰到模拟信号：

　　1）噪声通过R1耦合到运放输入。

　　2）噪声耦合到运放的地端。有人可能想借助“电源抑制比”消除噪声，但是，不要忘记，地是它的参考电位，这意味着噪声将直接耦合到输出信号。

　　3）噪声通过R2耦合到运放输入。

　　4）噪声通过去耦电容与R1电阻，耦合到运放输入。

　　注意：电容是一个双向器件，去耦电容的作用是对电容两侧的高频信号取平均。如果电源总线上有噪声，而地非常干净，去耦电容形成的到电源的低阻回路可以有效降低噪声。尽管如此，如果地是高阻并存在很大噪声，去耦电容反而会把噪声加到电源上。

　　如上所示，因为耦合噪声信号有相位差，噪声耦合到运放周围的各个节点，使得输出非常嘈杂。图中抖动所示，所有噪声都会叠加到输出端。

　　输出也受运放的非线性失真干扰，噪声分量由此会产生和、差谐波分量，使整个频谱充满噪声。

　　以上简单阐述了良好的电源、地层布局的重要性，对于没有模拟设计经验的工程师，尤其值得注意。

　　射频电路的不合理布局

　　另一个例子，让我们看看出现在一个射频收发器评估板设计时遇到的问题。设计者拿着电路并把它输入一个用于数字逻辑的PCB自动布线工具。结果，电路板无法在射频下工作，即使电路板符合Rube Goldberg要求。

　　板子的关键通路都是分散的，并通过过孔（电感）连接，电源没有合理的去耦。板上天线奇形怪状，很难设计出一个直线天线。当这个设计者被问及用来设计这种天线的软件时，得到的回复不是天线设计软件，而是听到设计者说“那是留给我们放天线的地方”。

　　虽然这个设计者是一个很好的微处理器工程师，但他不知道天线尺寸是由信号波长决定的，也没有意识到地平面是另一半天线。在有经验的射频工程师指导下，才能够保证设计。

　　谐振原理

　　乐器和射频设备都利用共振来工作。图4展示的是一组管风琴，每根管子都被调到一个固定的音符上。而当我们从一个地方发射无线电到另一个地方，谐振将帮助我们选择一个信号，而拒绝所有其它信号。

　　图4：美国一所教堂中的管风琴。（点击放大）

　　调节射频天线尺寸使它谐振在指定频率，但仍然存在问题。在汽车环境工作时，设计者把天线放在引擎室以期实现远距离通信，这是一个汽车配件，需要在汽车引擎金属盖下进行接收和发射。

　　设计者认为汽车引擎室在指定频率下会形成一个谐振腔并放大信号。不幸的是，谐振腔需要精确的设计，而不同的汽车有不同的引擎室尺寸，很难获得谐振。此外，设计者不想为了满足汽车的高温工作要求，而为器件花大价钱。

　　设计者不理解引擎室温度很高，仍希望消费类产品在最高70℃的温度下能侥幸工作。

　　数模混合器件，如MAX541 16位数/模转换器，通常有一个引脚作为模拟地，另一个地为数字地。在MAX541的数据手册中，第九页和第十页解释了如何把它们连在一起，并采用星型连接。这个对地描述的术语可能容易造成误解，不使用模拟和数字，而使用“干净和嘈杂”可能更容易理解。

　　正如应用笔记4345所述，“良好的接地，数字也是模拟”，因为阈值效应，数字电路能忽略一些噪声，而模拟电路不能。在数据转换器中，数字和模拟地的连接方法需要非常小心，尤其当系统由很多ADC、DAC组成时，把一个地平面连成星型的经验和技巧是必须。

　　同时，在每个数据转换器中，模拟和数字平面需要交叉连接，目的是将主电流返回到电源，而几乎没有什么电流消耗在交叉点。专业的工程师会使用电阻、磁珠或电感作为交点以传导为频率函数的电流。经验允许版图最小化，但唯一确定的方法是根据经验反复的优化电路版图以降低噪声。

　　不幸的是，所有的器件都有可能被误用或滥用，经验是最好的老师。学生在学校时，可能必须死记一些知识。所幸的是，通过分享这些经验，我们能避免其他工程师寻找突破口时的痛苦。节省下来的时间我们可以用来改进设计，而不必挠着脑袋为没有很快看到结果而烦恼。

对每个工程师来说，没有一个器件是万能的，不管Rube Goldberg如何试验，一个设备不能集成每个