AD

电子电路设计经验漫谈

[2019-03-08 14:37:19] 来源:电工学习网 编辑:电工考试 点击量:
评论 点击收藏
导读:做了若干年的电子系统设计。所涉领域有数字通信,数据交换机,模拟电路,芯片设计等等。有些感慨逐渐写出来灌灌水,博大家一笑。  第一回:境界层  传统的武功都分若干层,好像大多是7-9层吧,呵呵。这电路 ...

  做了若干年的电子系统设计。所涉领域有数字通信,数据交换机,模拟电路,芯片设计等等。有些感慨逐渐写出来灌灌水,博大家一笑。
  第一回:境界层
  传统的武功都分若干层,好像大多是7-9层吧,呵呵。这电路设计的功力也一样,印象中有dx分过4-9层。俺这也不免俗,根据自己的经验把它分成了5层。
  第1层:初步入门。做什么都难。大多时间是借鉴前人或能找到的设计。仿制的过程中来理解电路的架构类型。能拿到一个可直接用的电路很兴奋。经常看些2-3流 杂志上的实际例子。做些笔记什么的。经常参加各种会议讲座。设计出来的板子一堆飞线。总是疑惑为啥电路图或者逻辑设计一样,怎么出来的性能总比不上原设计。
  第2层:做了几年后有了感觉。了解了电路设计需要遵循的一些实际原则。开始能独立完成一个系统,即使是新的算法或者协议也能实现。设计一个电路有点随心所 欲。觉得这电路设计也就那么会事,什么东西只要有时间都能做出来。但细节的考虑不周(细节这个词可能有误导,其实并不像字面那样简单)。做出的东西长期稳 定性和可靠性不见得理想。
  第3层:觉得做什么都要慎重。再简单的东西设计好了,成为批量生产的可靠产品都不容易。即使做个分频器也要分析半天。不管大小project都先仔细做architecture spec,都想事前先做仿真。注重步骤和过程的严谨。以一种敬畏的态度对待大大小小的设计项目。
  知道了R和D的不同。明白做个项目主要80%的部分用20%的时间就可完成。而余下的20%要花80%的时间。当别人说这个项目简单花不了多少时间时,也不愿意与其争论。
  第4层:常回过头来看看以前的教科书。比如电磁学上电容的原理。有了些以前不管上学还是应用时没有过的领悟。
  注重可重复性设计,测试结果跟仿真的比较。积累仿真与实现一致性的经验。
  能准确抓住一个项目的框架结构,主要的和需要仔细分析对待的部分。并能分清哪些可以不用花太多时间和精力。
  开始琢磨一些新的协议或者想独创点什么。
  第5层:只是一个工具和过程,用它来赚钱养家。跟去养猪种菜一样,是谋生或者用来创业的一个手段
  开始研究电子管,做点自己喜欢的东西


  你怎么看待电路图?电路图是否代表了所有设计信息?不是的。电路图只是给你了一个所有集中参数元件的连接顺序。大家知道电路的实质是用电场和磁场描述的。而电场和磁场的相互作用跟携带他们物体(元器件)的空间相对位置有关。也就是这些元器件的摆放位置,方向,和公用的通路(地,电源)会对电磁场的行为产生影响。所以一个电路图只是携带了有限的设计信息,至少不是全部!
  具体来说,每个信号loop的大小和相互作用,在公用通路上的相互耦合,电感等元件产生的磁场对其他电路的影响,大信号(比如控制的输出)对小信号(被检测的弱信号)回路的影响,等等都是应该考虑的。有时大家在纠缠数模混合设计是否该分地和怎么分,其实你把每个信号都看成有一个loop,该loop会影响别人,也会被别人影响,分析起来就清晰多了。地和电源符号的使用往往使设计者忽略的这一因素。
  一般做仿真会从电路图开始编写仿真的描叙。更有甚者有的人想用自动软件直接从电路图得到spice的网表。其实电路图并没有告诉你元器件是怎样连接的,除了告诉你他们的连接顺序外。电路图上表示的是一根线,虽然你做仿真时已经考虑到了一个trace可以用传输线来描述。但在不同频率下介电常数不是个常量,趋肤效应使得高频下的trace thickness发生了变化。过孔对高频影响最甚,过孔的model到现在也没个精确的数学模型。过孔中non-functional pad产生的寄生电容,你是否想着model了?via stub呢?记得几年前公司招一个人对他面试,他说起他的博士论文就是研究过孔的model。


  通常的设计流程是设计电路,仿真,实现,测试。当你发现测试结果跟仿真不相符时,你可能接下就修改电路版上的电路,加点电容拉,去掉噪声了,调整放大倍数拉,使得最后得到你的指标。然后就去修改电路图,再制版去了。且慢!这时你可能丢掉了一次非常珍贵的使你的水平提高到另一层次的机会!
  正确的做法是测试结果与仿真不相符时,在确认不是制造和测试引起的之后,a)先根据实际情况调试你的仿真(可能是模型,可能是对实现的描述)使得仿真跟测试在预计的误差之内
  b)在仿真平台上调试你的设计,使得达到预期指标的仿真结果 c)根据仿真所做的修改来相应调试实际电路达到预期的指标。以上3步可能要需要有几个来回。这样最后做到仿真和实际测试一直后,你就积累了完全描述这个设计的仿真知识库和经验。下次做类似设计时,大大提高了你的一次设计成功率。最后的目的是达到在工作站上进行设计和调试,而不是在LAB的实验台上。
  话是这么说,可有多少人这么做,有多少人相信这么做有价值呢?进度的压力,懒惰的惯性,认识的深度。。。。。。所以大侠永远是少数,呵呵。
  第三回: 数字与模拟,从事哪一行?
  数字化是发展的趋势。从磁带到CD MP3,从模拟电视到HDTV,模拟通信到数字通信。电路设计也是一样,越来越多的是数字电路。但大家可能都明白,一是模拟永远省略不了,因为现实世界的 物理量和我们的感知都是模拟量。所以要完整掌握一个系统的设计,模拟数字都需要。第二点:随之数字化的频率越来越高,所谓的数字信号也要以模拟电路的设计 原则来对待。即使是低频数字信号,如果它的变化沿很快,所隐含的高频分量也非常丰富,还是要作为模拟信号来对待。通信协议的第一层都是模拟的技术来实现。
  数字设计的第一层次是对系统实现和逻辑的掌握。各种设计方法系统级的如各种总线技术,MCU系统,电源系统,互联系统,时钟处理,背板等。芯片级的设计如 state machine,pipeline,FIFO,Queue等。感觉数字通信中主要是对帧和系统同步等的操作。数字交换机主要的是对memory的操作。管理用memory组成各种table,queue,FIFO,buffer等。
  第二层次可能是对算法和协议的理解与实现。这时你可能对逻辑设计已经得心应手了。主要的是在一定的cost下实现某个算法或协议。容易忽略的可能是可测试性和可诊断性的设计。
  初步进入职场的话,数字比较容易点。懂点数字逻辑,MCU的编程就可找到不少的饭碗机会。
  感觉做一个合格的模拟设计工程师需要更多的锤炼。并不是说数字设计容易。数字设计可能最后是复杂性,性能与cost的平衡,功耗,算法协议的有效和可靠性等 层次的问题。在具体的逻辑层面和实现层面作为设计工程师要么没太多再发挥的余地,要么不需要介入太深(上一回说的simulation的因素除外)。而模 拟可能一直得与基本层面的问题打交道,比如材料特性,性能的trade-off,电路结构,实现方式,新颖有效的电路形式,布线等等。随着半导体工 艺的不断进步,对数字设计工程师的影响相对小些。而对模拟设计的影响有时是基本的。到现在你还可以就运放,ADC,PLL等基本器件的实现在IEEE上发 表论文或去做博士研究。除了严谨的训练外,经验的积累在模拟设计中的作用不容忽视。
  模拟和数字有时也没有一个清晰的分界点。ADC有人就用lousy的analog电路,然后通过数字算法提高其精度。delta-sigma的ADC也是利用了over-sampling和DSP的算法来降低噪声。
  如果说非高速(这个点各有理解)数字电路凭经验可以直接设计电路的话,模拟电路如果不做仿真可能就不是严肃的设计。
  假如一生都从事电路方面的技术工作,似乎掌握一些模拟的技术比较有价值。年轻的后来者在数字设计方面比较容易上手而达到某个程度,而在模拟领域可能需要侵淫 更久的时间。当然,国内的公司对大多人来说技术只是个台阶,做到一定程度要么转行要么去做管理(官)。没有一个合理的价值体系,技术的积累和重视人才只是 虚假的空谈。像IBM,CISCO,INTEL,HP,TEK等公司,他们有跟管理阶层相对应的技术进阶体系。最后技术职位的地位和利益不亚于对应的管理 高位。这样就拥有了一批喜欢和愿意从事技术的人才,也使得他们有丝毫不逊色的利益保证。
  第四回: 进修有感
  电子这行业发展太快,你在大学学的内容大概没几年就不合时宜了。更别说不少大学的课程和老师也陈旧得很。工作几年后,甚至一工作就有去进修的必要。
  进修有多种方式。1)自己看书啃   2)上培训班  3)在公司跟老一辈学习,等等。各有利弊。
  自己看书可以掌握进度,专攻急需的部分。像当年林总提的学毛语录那样:活学活用,急用先学,立竿见影。切忌从头看到尾,只学不用。个人的体会是对那些马上用 不到的先别花太多时间,大概其了解就行。要把目前需要的研究深刻,并且马上试验。不然花了时间不说,过几年再用时还得从头学起,因为只看不用没啥作用。看 书一定要找真正有实践经验的大侠写的书。那些只是会写文章没做过项目产品的人写的,最好敬而远之:一堆书公式数学,什么都谈的很深很细,但没有重点。其实 看书不如研究相关公司application engineer写的application note。那些东西的价值和实用性很高。当然又有应用的经验,又能上升到理论分析的dx们的着作另当别论。
  上培训班,如果是有实践经验的人讲的话,还是很有价值的。价值在于你可以得到他的经验,并与之探讨。有时几分钟的探讨和QA比起你自己摸索很久来的有价值。 如果做IC之类的设计的话,强烈建议大家考虑在网上上一下伯克利的IC课程。近代EDA和IC设计,该校是圣地。那些老师们和电子技术一起走过来的,他们 的讲座能使你了解到技术的精髓。该校位于硅谷跟若干大IC公司有很强的互动。他们的好多学生出来开了很多成功的公司。伯克利课程的另一特点是课堂的互动。 有好多有工作经验的工程师们回去深造,你可以像置身课堂一样随着那些高手们的QA而更深入了解一些你自己学习看不到的深度和经验。大多数时候你感兴趣或者 不明白的疑惑,总有人提问或者老师回问。听这种课是一享受,呵呵。建议数字IC去听Rabaey的课。就是写Digital Integrated Circuits A Design Perspective 这本书的教授 (顺便说一下,中文这本书译为“数字集成电路设 计透视”。透视俩字怎么都觉得别捏。感觉perspective应该是“从x出发,面向x” 的意思。建议尽量看原版,一是翻译者的水品有可能损害了原文的风格甚至意义,二者现代技术是用英文写成的。如果想长期从事这一行,还是应该掌握描述它的语 言。就像你要做软件设计需要掌握C一样。). 模拟的话伯克利有好几个大家,本人比较喜欢 Broderson和Ali的课。他们讲课比较清晰有节奏,讲话也幽默,不觉枯燥。即使不做IC设计,做板级和系统的设计,研究一下IC的相关知识也很有 帮助。比如模拟IC的课程可使你对噪声,干扰,稳定性,以及器件指标的含义有更深的理解。
  跟公司老一辈学习是最直接的了。这点没啥可说的。只是提一点:当一个设计A也行B也行时,如果前辈们说A好,你觉得自己提的B好。这时别扭着劲非说要B。最 好仔细想想A到底有什么好处。设计的目的不是设计本身:是产品,是可制造可重复可档案化可规范化可系列化可简化售后稳定性。。。。。。的产品!你的B从设 计角度来看没什么问题,但可能缺了后边中的某一样。
  第五回:示波器
  测量是电路设计最基本的技术。但不正确的测量仪器选择和方式,不止是得不到正确的测试结果,关键还会给你带来很大的误导。
  常用的测量仪器莫过示波器了。一个简单的问题:测量100MHz的正弦信号应该用多大带宽的示波器?这个问题本身实际上提得就不准确。任何示波器的带宽都是 基于一定误差来说的。一般示波器的带宽是指的其3dB带宽,即最大幅度下降到70%左右的带宽.所以如果用100MHz带宽测试100MHz的信号,测量 误差就至少是30%。做个幅度与频率的简单衰耗图,你会发现如果要求3%的精度,测量100MHz信号的带宽需要大约 3x100MHz。一个经验的说法:为了保持幅度误差合理,示波器和探头组合的带宽应该至少为待测信号带宽的3到5倍。为了保证幅度误差小于1%,示波器 的带宽应该至少为信号带宽的5倍。当然这是用示波器来较为精确的测试信号的幅度来讲。如果只是debug,尤其是数字电路的逻辑,则要求就没那么严格了。
  怎么样来对待低频信号的上升时间?有时大家遇到这样的问题:信号频率不高,所以布线就没怎么讲究。结果最后做出来的电路发现,要么串扰大,要么有很大的反射 过冲等。这是你就该检查信号的上升下降时间了。快速的上下降沿有丰富的高频信号频率。这是的信号应该当作高速信号处理。一个常用的带宽算法: 带宽=2.2/(2Pi * tr)=0.35/tr. 如果信号的上升沿是1ns,则等效带宽接近350MHz!精确测量这个上升时间的示波器带宽至少要3×350MHz。
  探头的使用也要注意。对于高频(包括有快速变化沿的低频信号),探头的接地十分重要。切忌用地线夹子随意找个接地点。要就近接地。一个简单的方法是用裸线缠 绕在探头上就近找个地。在电路图和PCB设计时,不只要考虑测试点,还要有就近的测试接地点。这点往往在设计时容易忽视。对于差分信号,最好用专用的差分 探头。用普通探头的话,通道间的skew会影响测试结果。当然低频差分信号应该还好。


  第六回:IP杂谈
  IP,就两个字母,孕育了多少时代风云,创造了多少财富积累,成就了多少英雄豪杰,巨企商号。。。。
  暂时风过云淡的今天,IP技术已经深入到了人们生活中的方方面面。其重要性怎么说都不为过,而且我们还只是处在其带来变化的初级阶段,但就这也已经让经济生 活甚至政治各个层面产生了深远变革。Twitter的出生还只是按月计算,就影响了政教合一铁硬伊朗近期的政治事件。加以时日,如果人人的手机都是一个即 时的采访话筒和新闻摄影机,还不知道会对这个世界产生什么程度的改变。


  所以专家,尤其那些以前做出过很大成绩的老专家,他们的确切定义应该是“在本次技术革命之前的上一代技术的权威”。他们中的大多数对新技术的掌握,不会比新 一代的年轻技术精英更快更有权威。但可惜的是他们大多掌握着话语权,掌握着资源。这不能不说是对技术进步的一种明显的阻碍。但恰恰正是因为这一点,才给无 数的敢于创新的公司以出人头地的机会。就像在美国cisco之于LU,在中国华为中兴之于邮电部的所属科研院所和企业。当年叱咤风云的后者,还有多少泡沫沉渣泛起?上帝可能最终还是公平的。
  已经采用的技术,并不见得是最优的技术。同理新的技术也不见得就有前途。当有专家说其实你的3G没啥了不起,我的技术比它强多了的时候,先别立马下结论,尤 其对方跟经济利益纠缠在一起时更是这样。老毛当年说任何主义理想都有其阶级的烙印。此话用到技术上也是如此。当年中国电信的总工论证出小灵通可以平滑过渡 到3G时,你应该笑笑就罢了。别当真。专家,不过如此。当年项羽见到秦始皇出游的仪仗时说,“彼可取而代也”。刘邦也说,“大丈夫当如此也。” 虽然有项羽自吻乌江,但也有刘邦面南背北。你虽然现在是初出茅庐的学生,但有无限的潜力。那些专家们现在就现在了,但你还有无限的可能。
  最终的标准,技术体制是妥协的结果。尤其是企业巨头们的妥协结果。当你研究学习那些所谓高技术时,也别对他们太崇拜了。那里的字里行间隐藏着很多利益,交易,竞争和妥协。
  后来者最喜欢技术革命。在一个成熟的技术市场下,是垄断者大公司的游戏。只有新技术,新体制,才能创造机会,才能使野心勃勃的投资者和创业者得到成功的机 会。看待一项技术,主要应该从它的商机中来看。当年IT泡沫时参加过一次一家着名风投的技术论坛。题目就叫“VC眼中的7层协议”。他们认为当时7层协议 中最有商机和投资价值的事1-3层。并把每一层的player,机会,和市场规模逐一分析。这是第一次听人按价值来分析7层协议!
  技术,无论用怎么复杂的公式来计算分析,用怎么深奥的语言来解释论证,其最终目的只有一个:$
  第七回:HDL与IC
  做芯片设计或者FPGA/CPLD设计的工程师主要用硬件描述语言。这种类似计算机软件的设计语言灵活,数据流清晰,易于模块化和仿真,是IC设计的主流方式。如果还在用原理图来做芯片逻辑设计的话,应该尽快转到HDL上来。你会立马感觉到不一样的天地。


  掌握其中的任何一种,对于有点电路设计经验的工程师来讲都不难。难得是规范的文档,清晰的说明和注释,合理明了的架构,和充分的仿真。好多工程师只注重程序的 设计本身,即一条条的语句。岂不知一个设计包含程序本身和描述这个程序的完整文档!缺了任何一个都不是完整的设计。简单的来说,设计程序时要想着程序是让 他人看的,是公司的IP积累。不是单单为了实现你要达到的几项功能指标。印度的软件外包比中国领先很多,为什么?两国的工程师都很聪明。有人做过分析,对 于同样实现一个简单功能,中国工程师10行就写完了,可能还想绞尽脑汁再用更巧妙的方法简化。而印度工程师可能要写100行。区别就是前边说过那几点。
  想来做ASIC和FPGA的区别大家都清楚。从设计角度来讲主要是library的异同,包括仿真等等。ASIC代工的兴起,使得设计与制造彻底分离。这样 任何一个掌握了一定IP的人都可以开个ASIC设计公司。前者的价值主要变成了IP的积累。目前除了INTEL等个别公司还有自己的Foundry厂外, 大多数公司都使用TSMC之类的代工。为了更进一步降低设计IC的初期投入,foundry也提供shuttle服务,即可以允许几家公用一个晶圆,这样 就大大降低了设计house的费用。据说现在还有搞sub-shuttle的:几家公司在一个die上设计几个芯片,有点像PCB拼版一样,再用 shuttle服务跟别人共享一个晶圆。不知道这么做是否合法。可以的话几万RMB就可设计一个一般规模的ASIC,自己在家都可以做了 .半导体业这几年不景气,可能也跟原来高高在上的高科技白天鹅,变成了寻常的丑小鸭有关。进入门槛降低了。当然这只是指的逻辑设计一个电路来讲。其实IC 的价值不在设计的过程,那些算法知识等IP才是最有价值的。就像90nm的技术很成熟了,上海交大的教授还是靠雇佣民工把买来的片子磨一下再印上自己的型 号。制造BMW的技术有了,但设计它的IP却不是一朝一日能掌握的。
  Foundry厂也积累了大量的Library包括各种IP,甚至A/D等转换器件。 对于一般的IC,设计不是主要的价值所在,产品的定义和市场的定位成了成功关键。


  PCB 的材料从最常用的FR-4到低损耗的Roger,具体的电路可以选择不同的材料。有时通过精心设计元器件的布局,较少过孔,和选用阻抗匹配的连接器件,可 以用低成本的FR-4达到大多数的要求。本人就做过FR-4传送3GHz信号达40英寸的设计。中间有两个连接器,一组耦合电容。当然需要有Pre- amp和equalizer的帮助。02年左右见有芯片公司demo的用FR-4传送10GHz几个英寸的演示。如过芯片的serdes做的不够好,那就 需要Roger之类的材料来帮助减小损耗了
  经常有人问最小可用多粗的线,过孔可打多大?一般来讲过孔的直径不小于板厚的1/10,其它就没有什么太明确的标准了。正确的步骤是在设计PCB之前先跟 FAB厂家联系,要到他们的技术要求,明确设计的极限,然后选择合理的设计参数。大多数人是先做完了PCB再跟厂家联系。本末倒置了。
  在设计PCB之前要对高速信号做下仿真。根据器件的model,trace的距离,过孔的数目,和连接器的参数来做最坏情形下的仿真,用这个结果结合芯片的 datasheet看看lose budget是否有合理的余量。仿真的软件有多种,本人认为Hspice是最精确的一种。其它用spice model的软件也可以,但Hspice有更适合传输线仿真的field solver的方法,即直接解电磁场方程来做计算。而不是用lumped RLGC 的方式。后者有许多不确定性。研读一本SI方面的专着是比要的。最有名的是howard johnson, Stephen Hall的着作。选一本就可以。不要从头到尾全看。根据用到的,选择性的研究一下最好。一边结合项目,一边做仿真分析。实际电路出来测试后,对比研究一下 测试结果和仿真的异同,找出仿真或者实现的问题,修改仿真使它接近实际的测试。这一环节有助于功力的升级 。
  如果你有成本的压力,用FR-4但有一些高频的trace。这时要仔细的对高速部分精心布局,如果不可避免使用via的话,要尽量采用through- via,即让信号从顶层一直穿到底层来换层。在中间换层会产生via-stub,影响信号完整性。做完布线后顺手用PCB工具中的去掉non- functional pad的功能,把那些中间层没连线的pad去掉,也能较少一些寄生电容。做这种事就是要斤斤计较,设计时多用点心,得到免费的性能提升。
  PCB的软件设计工具有很多选择。以下是在另个帖子中写的一段,摘录到这里供参考:


  orcad是一般公司做evaluation board的设计首选。比如ic公司。中小型公司用的也比较多。
  当然随手偶尔做点什么,任何一个都能胜任。如果不是专业的layout工程师,能用这些layout工具来做检查就好了。但PCB的设计流程,材料,SI分析等还是要做点研究。
  第九回:俩学音乐出身的工程师
  经有过两个老美同事。凑巧的都是学音乐出身的,后来凭兴趣自学做了电子和软件方面的专家。
  第一个是一家公司的总设计师。专业是学的音乐。对电子的东西比较感兴趣,就走进了这一行。如果你有什么想法跟他说,他低头思考一会大多时间就给出你答案。是 在一合作项目时认识的。工作一段后每每感觉他的一些想法匪夷所思,有时惊叹实现的巧妙。但也有时候他想出来的很不错的想法,实际已经有现成的东西可借用 了。这是感觉到他的唯一弱点。人总是这样,正统教育训练出来的,知道使用好多现成的东西,但缺少了独创性。受传统教育少的,得益于较少的约束和具有更好的 创造力,但有时也可能耗费不少时间在一些前人已做过的东西上。此事古难全。
  另一个是在某公司时的同事。做事非常严谨。他开会或者大家讨论时的笔记,非常干净整洁。拿过来直接发表就可。想学他这招但坚持了不几天就放弃了。人长的五大 三粗,可做事想不到的细腻。也是本科学音乐后来自学该改行软件的。我们那时下班后总总喜欢在停车场打会篮球。他从不掺和。有次我邀他一起打但他只是笑笑摇 摇头。我开始还以为他不会打。后来才知道人家是原德州大学校队的!就是那些NBA球员们的前身。他有的队友后来可能就去NBA了。这样的本事哪能轻易跟我 们这种菜鸟玩。现在他是一家航天公司的软件总设计师。
  兴趣是良师。功夫在诗外。我们从中学开始就分文理科之类的,谬之大矣
  第十回: 接地(1)
  一 直想谈谈接地问题,但总觉得不容易下手。接地,最简单的定义,也是最难把握的。简单到初学者把所有“地线”一连就可,复杂到要考虑安全,干扰,强弱信号分 配,阻抗,噪声,EMI,保护,交流直流地,等等。记的从开始注意信号完整性后,对“地”就在不停的琢磨。从数字转到模拟后又开始了一轮的研究。跟电力沾 上点边后又有了新的视角.....。无穷尽那:-) 下边从安全保护,信号完整性,模拟电路几个不同的角度聊聊对地的处理。
  从安全保护角度看接地
  IEC 对几种接地方式有明确的定义。了解一下这些AC系统的接地要求能帮助理解系统设计中信号地保护地等概念和怎样正确处理。在常用的TN-C-S接地系统中, 要求有个单独的保护地(可能跟信号地在机器内某点连接在一起)连接到AC配线箱的大地上(在那跟Neutral连接在一起)。如果有EMI或者其它干扰隔 离的考量,可以把这个保护地线屏蔽起来专线连接。但对于高频噪声这种连接可能起到相反的左右,对保护地连线的长度有要求(小于干扰波长的1/20)。


  用两芯的电源是不可取的,尤其对工业的应用。除了安全以外,还有EMI的影响。大家知道AC-DC电源前边要放X(line与neutral之间)和Y电容 (line/neutral到地)。没了第三芯的地连接,Y电容的防共模干扰的作用就消失了。从安全角度讲,如果是两芯的插座,有金属壳的机器就失去了漏 电保护的作用。这时应该装个GFCI漏电保护器,尤其是在家里有小孩的情形,价格不贵,保护孩子重要啊,呵呵。 顺带说一下,浙江一带尤其慈溪什么的生产的电源插板基本都是垃圾,俺拆开看过很危险的,尽量别用。前几年看过一个报道说国内只有三家的品牌是合格的。你家 的电视冰箱计算机还有家人的安全值钱的很,别再这上边省这几块钱!
  除了设备要可靠接地外,建筑的钢体水管气管等也要可靠接地。在雷雨天气钢架构可能被充电。钢结构跟室内的仪器设备的外壳有个电容通道。从而雷电的高压可以加到设备上而形成危险。这就是为什么有时有些计算机不开机,雷雨天气后也能被烧坏的原因(case2)
  AC接地系统是个专门的领域。作为电路和系统设计者,知道点AC接地的知识很有帮助。尤其在涉及到AC带来的安全,EMC,EMI,串扰等问题的分析时。上边说的case1和2俺都遇到过。有两本比较好的读物推荐如下。第二本是比较深入的介绍。
  Grounding and Shielding. 5th Edition. RALPH MORRISON
  IEEE142. Grounding of Industrial and Commercial Power Systems.


  数模混合电路的设计,很大一部分是要考虑地的分割。分割原理就是要遵循上边所属的共性。好多争论是用同一的地平面好,还是数字模拟地分开。其实两者都可以, 关键是要让数字和模拟信号的回路尽量减少交叉和共享。初学者可能很容易注意把电路图上的数字模拟信号线分开,减小回路面积并尽量不混杂在一起。但忘记了所 谓“信号”是需要一个回路的,即“有去有回”。信号回来的路径就是“地线”。所以数字和模拟信号的“回来的路径”应该不要重叠。最简单的方法就是把两者的 地分开,并且数字信号线要布在数字地平面上,模拟信号线要布在模拟地平面上。不要交叉。一个常犯的错误,地分开了,但还有数字线布在了模拟的参考平面上。 如果有MCU的数字信号需要去控制模拟器件,这些线要从单点连接的部分通过。混合电路要求设计工程师和布线工程师有很好的互动或者生成完善的PCB布线要 求文档。
  像本文一开始讲的,接地的策略很复杂,以上原则不见得适合所有情形:
  一种情形是一点接地或者树形接地有时不那么容易实现。比如板子上有几个独立的模拟电路(几个分立的ADC电路)。这时应该遵循上边所叙的没有共用回路的原 则。地线也不一定非要单点接地。只要互相之间没有共同回路即可。对于大电流的输出级,直接将其回路连接到电源的输入端,使得其干扰不流过板子的任何地参考面。
  还有一种情形是很多的数字信号需要去连接模拟器件,或者模拟信号要连接到MCU中的ADC。采用单点接地的方式会引入一个大的信号环路,形成的电感和辐射会 带来串扰。这时可以采用统一地面。但在区域上要严格分开并遵循互不交叉的原则:数字信号线要布在数字地平面上,模拟信号线要布在模拟地平面上。即使采用分 割地面,在不同区域预留一些互联的0欧姆电阻是一个折中的方案。有时你会看到好多Analog Device的evaluation board上也是这么做的。可能说明了他们也心存疑虑啊,呵呵。


  电源也是一个公共通路,其设计是否也该采用上述方法呢?大多实践证明电源采用树形连接的方案优于平面的方案。各个部分的电源树形连接到电源的源头,这样就彻 底避免了共用电源通路间的互扰。尤其是大电流部分比如输出功率电路,高电压部分比如被控制的电器设备。这种情形下使用公共的电源平面会带来很大的串扰。
  对于数模混合系统的接地分析,本人感觉Analog Device的一本ADC设计指南(Analog_Digital Conversion)讲的最清晰。接地的论述在其第九部分Hardware Design Techniques.
  最后,没有金科玉律,不要纠缠在一点不放:电路设计是一种折中的艺术:-)


  对于第一点,参见图一所示。同样从A到B的一条信号线,低频去时从PCB的trace走,回来时从图示红色最短的电阻通路。而高频回来时则沿着trace下 边的地平面回来,因为这时来去包围的面积最小,电感最小!如果信号跨过地平面上的一个开口或者地的不连续区域,则来的信号就在此形成一个回路,这容易产生 干扰。所以高频(模拟信号)要在布在自己的连续参考平面上。
  对于第二点,只是分割地平面还不行,还要考虑不同域的信号不要有交叉,不要布线在别的域上边。图二下边两个分割是正确的。右边那个虽然没分割,但遵从了上边 的原则2),一样产生满意的效果。左上图那个虽然分割了,但数字信号布线在了模拟域上,在圆圈所示的两个区域存在相互干扰的loop。对于有A/D,D /A的混合系统,最理想的方式是转换器件放在模拟与数字域相连部分的上边。如左下图所示。即使由于各种原因做不到,也至少采用右上图方式:数字线沿着自己 的参考平面从数模连接处进出。切忌随意采用左上图的方式。
  电源平面的准则比较清晰: 坚决反对大电源平面策略。严格采用树形电源分配。树根在电源的入口。
  这点有的dx可能有异议,有经验的dx能准确感觉到信号的来回通路,并能通过布局实现相互的隔离和串扰,也可以不遵守本条。但对于你我还没掌握到那个火候时,还是遵循点简单明了的策略为妙。
  对于大电流大功率电路部分,除了电源树形配电外,地平面也要树形连接到电源的入口处。

为您推荐