模拟设计:理解信号和应用

关键的外卖

• 比较和对比模拟和数字信号。
• 在模拟电路中使用运算放大器来代替数字逻辑。
• 解决混合信号设计中的分离地平面方法。

模拟传感器充当数字电路和外部世界之间的转换器

模拟设计在数字电路的现代世界中似乎有些过时，但它仍然具有独特和不可替代的目的。大多数情况下，由于组件内容的直接性，学生和业余爱好者可能会从模拟设计开始。以非常直观的方式学习电磁学和无源电路的基础知识，并允许初学者遵循基本元素(如场，电荷，能量，电流等)之间的相互作用。

为了真正掌握模拟设计的一些复杂性和内在本质，在相应技术的背景下考虑它是有帮助的:数字。这两种格式各有优缺点;结合起来，它们对现代电子世界是不可或缺的。此外，它们被证明是互补的，而不是好斗的，在一个动态的电子共生中，它们能够提供对方所缺乏的功能。由于格式之间的通信是关键，因此本文将研究设计这两种拓扑如何进行物理交互的方法。

模拟信号和数字信号的区别

模拟电路和数字电路的主要区别在于信息传递的方式。模拟信号是连续的，而数字信号是离散的高、低信号。有效地，模拟呈现信号，因为他们是，而不是时间采样表示。这些信号代表了信号参数与被测量或产生的信号之间的直接关系类似的一些物理现象。改变信号的特性，如电压或频率，会引起输出的变化，反之亦然。

模拟信号产生于与物理世界的直接接口。因此，它们起着重要的作用，代表着设备与其周围介质之间的某种相关性。这通常可以在pcb中作为板载传感器出现，其中传感器的模拟输出可以馈送到模数(ADC)转换器进行额外处理。接下来还会有更多关于dac和adc的讨论，但重要的一点是，模拟信号无处不在，存在于数字化电路领域之外的一切。

与数字信号相比，由于媒体格式和处理，模拟信号更容易受到噪声的影响;虽然最初转换为数字存储确实会产生一些噪声特性，但与模拟中潜在的持续退化相反，这些特性被纳入演算中。此外，存在用于纠正这种数字退化的方法，这些方法对于模拟格式是不可用的。这是否使得数字在所有情况下都比模拟更容易选择?几乎没有。

让我们暂时离开PCB设计的世界，声音爱好者论坛自几十年前成立以来就一直在无休止地争论模拟与数字的优点。半个多世纪以前停产的模拟音频设备仍然可以卖到几千美元，尽管现代数字设备的替换有时只占成本的一小部分。事实证明，也许是在良性斯德哥尔摩综合症的情况下，一些人喜欢模拟媒体固有的噪音——一些人表示的温暖。虽然对于一般的设计师来说，这听起来很奇怪，但某些失真程度实际上可能是爱好者所追求的。虽然这个信号方面存在于一个与大多数设计师操作完全不同的实现中，但它有助于理解为什么表面上看起来是一种劣等技术仍然有其热烈的支持者。

运算放大器是模拟设计的基石

理想运算放大器示意图

电路中的模拟设计是什么样子的?首先，考虑一个典型的模拟板由哪些元件和电路组成。其中最主要的是运算放大器，或简称运放。运算放大器由反相和非反相输入、正负极电源轨和输出组成。运放内部存在a增益系数，即输出电压与输入电压之比。在理想模型中，增益被假定为无穷大;对于实际建模，增益由数据表提供，并有助于建立升压的最小阈值。在其最简单的形式中，运算放大器的作用是作为比较器。通过下拉电阻将反相输入端连接到地，并在非反相输入端提供正或负电压，电压被增益放大。如果输入电压足够，电压就会转到相应的轨上——即，正电压转到正轨上，反之亦然。

运算放大器的应用

如果放大电压单独看起来有点平淡无奇，这是有原因的。运算放大器可以与反馈一起工作，无论是正的还是负的(前面提到的比较器设置通常被称为开环放大)。在一个闭环配置中，通常是负的，输出被绑回其中一条输入线，通常有一些电阻网络，部分地定义闭环增益。使用这种装置，可以设计出精确的放大。然而，这只是运算放大器应用的开始，下面列出了一些额外的用法:

• 可变增益放大-根据系统时时刻刻的需要，用户可能希望修改电阻网络，以实时修改放大器的增益。这可以通过可以在不同网络组合之间切换的CMOS开关来实现，从而实现更具适应性的运放网络。VGA可以连接传感器和ADC，以降低信号的最小放大要求。
• 混频器和调制器-信号可以从一个频率混合到另一个频率通过添加或减去第二个输入频率从原来的。调制器也可以合并单独的信号，但是是通过将一个信号的符号乘以另一个信号的值来实现的。
• 取样保持的-围绕放大器构建的用于数据收集的电路。电路从接受信号的采样或跟踪阶段发展到过渡轨道保持阶段，该阶段保留信号以供以后输入。信号被连续保持，直到第二个过渡保持到轨道阶段允许信号继续进行进一步处理。该功能允许电路在灵敏度为关键的点保持信号精确，例如在ADC转换之前和期间。
• 开关和多路复用器-允许电路控制和选择信号传播路径。
• 附加的数学函数比如乘法或者对数函数的使用。

简而言之，模拟设计可以大量利用许多运算放大器配置和应用来执行数字电路操作的必要调整。

为什么数字和模拟需要分开的地平面?

ADC和DAC在上面有简单的介绍，但希望读者已经注意到数字和模拟设计的不可分割性。遇到只在一个领域运行的设计并非不可能。混合信号技术众所周知，它将模拟和数字元素结合到其设计中，无论是在组件还是板级。

表面上,劈地话题在讨论混合信号设计时出现。分地是在模拟和数字元件和走线之间划分地的概念。这已经成为一个PCB主题，它倾向于吸引一些不那么严格的工程学科最佳实践。先把显而易见的东西弄清楚，事实就是事实。这种自反性陈述可能看起来很明显，但值得强调的是，将基础分为两个单独的类对作为引用的底层角色没有任何影响。事实上，解决模拟-数字鸿沟的最好方法是根本不制造模拟-数字鸿沟;如果可能的话，保持你的模拟组件和走线物理上与他们的数字对应物分开，一个单一的地平面可以可行地处理单独的返回路径没有问题。如前所述，封装可能包含内部模拟和数字电路，使统一接地成为不可能的。这也掩盖了其他电路限制——即使可以绕过分离地，处理放置和路由对完整设计的关注可能会使它非常不切实际。

分离地平面有助于确保模拟和数字电路之间的信号完整性，不会因耦合而过度损害彼此。因为地是接地的，所以必须至少有一个点将模拟地(AGND)和数字地(DGND)绑在一起。通常，这通过在引脚之间路由短而直接的走线直接发生在有问题的组件上。然而，设计师可能希望避免创造一个单一的点，因为它可能导致过于迂回的返回路径。在这个看似矛盾的最佳实践必须调和的关键时刻，设计师的最佳选择是什么?设计人员应该认识到数据转换是一种模拟功能，因此转换器应该将AGND和DGND引脚连接到AGND平面。这有助于减少从高速数字信号引入到模拟球的噪声，这些噪声将通过转换过程进一步传播。

如何连接分割平面

分离地平面的最佳方法是为混合信号电路提供AGND

如何在物理上连接分裂的平面仍然是一个问题。大多数设计人员很快了解到，由于返回路径形成的大电流回路，在分裂平面间隙上布线是信号完整性的主要罪恶，这可能很快导致可怕的EMI发射。背靠背肖特基二极管可以用来帮助防止在AGND和DGND引脚之间产生足够大的电位，以防止损坏电路。铁氧体珠也可用于在低频时创建通道，同时在高频时具有高电阻性并充当开口。这种低通滤波器的行为确保低频模拟信号可以很容易地在单独的接平面之间流动，同时将高速数字信号限制在各自的接平面上。高速模拟系统将需要另一种方法来绑地平面。

使用PCB工具进行模拟设计

模拟设计的世界是广阔的，几乎是PCB设计的一个分支学科。有效和无痛地处理您的模拟需求，Cadence的集合PCB设计与分析软件提供轻松构建和合并最佳实践的工具，以在此过程中优化性能。