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。
• 运算放大器在模拟电路中作为数字逻辑的替代品的使用
• 解决混合信号设计中的分割地平面方法。

模拟传感器在数字电路和外界之间起着翻译器的作用

在数字电路的现代世界中，模拟设计似乎有些过时，但它仍然具有独特而不可替代的作用。大多数情况下，由于组件内容的直接性质，学生和业余爱好者可能会从模拟设计开始。学习电磁学和无源电路的基础知识以一种极其直观的方式吻合，并允许初学者遵循基本元素之间的相互作用，如场、电荷、能量、电流等。

为了真正掌握模拟设计的一些复杂性和固有性质，在对应技术的背景下考虑它是有帮助的:数字技术。两种格式都有各自的优缺点;两者结合在一起是现代电子世界不可缺少的。此外，它们被证明更具互补性而非竞争性，能够在动态的电子共生中提供另一方所缺乏的功能。由于格式之间的通信是关键，本文将讨论设计这两种拓扑如何物理交互的方法。

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信号和低信号。有效地，模拟显示信号，而不是时间采样表示。这些信号代表了信号的参数和被测量或产生的信号之间的直接关系类似的某种物理现象。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，它们执行一个重要的功能，代表设备与其周围介质之间的某种相关性。这通常在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转换器(ADC)进行额外处理。接下来会有更多关于dac和adc的内容，但在这个节点上的重要一点是，模拟信号在数字化电路领域之外无处不在。

与数字信号相比，由于媒体格式和处理方式的原因，模拟信号更容易受到噪声的影响;虽然最初转换到数字存储确实会引起一些噪声特性，但这些特性与模拟存储中潜在的持续退化相反。此外，现有的纠正这种数字退化的方法对模拟格式来说是完全不可用的。这是否意味着在所有情况下，数字技术都比模拟技术更有优势呢?几乎没有。

从PCB设计的世界中暂时退一步，声音爱好者论坛自几十年前成立以来一直在无休止地争论模拟和数字的优点。已经停产超过半个世纪的模拟音频设备仍然可以卖到数千美元，尽管现代数字替换有时可以占成本的很大一部分。事实证明，也许是良性的斯德哥尔摩综合症，有些人喜欢模拟媒体固有的噪音——有些人表示的温暖。虽然对一般设计师来说这听起来很奇怪，但某些扭曲水平实际上可能是爱好者所追求的。虽然这个信号方面存在于与大多数设计人员操作的完全不同的实现上，但它有助于理解为什么表面上看起来较差的技术仍然有热情的支持者。

运算放大器是模拟设计的基石

理想运放示意图

在电路中模拟设计看起来像什么?首先，考虑什么样的组件和电路组成一个典型的模拟板。其中最主要的是运算放大器，简称运放。运算放大器由反相输入和非反相输入、正功率轨和负功率轨以及输出组成。运算放大器内部有一个增益系数，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，并有助于建立提高电压的最小阈值。在其最简单的形式中，运算放大器的功能是比较器。通过下拉电阻使反相输入接地，并在非反相输入上提供正电压或负电压，电压被增益放大。如果输入电压足够，电压将流向适当的轨道，即正电压流向正轨道，反之亦然。

运算放大器的应用

如果放大电压一个人似乎有点乏味，这是有原因的。运算放大器可以使用正反馈或负反馈(前面提到的比较器设置通常称为开环放大)。在闭环配置中，通常是负的，输出被绑回一条输入线，通常带有一些电阻网络，部分定义了闭环增益。使用这种装置，就有可能设计出精确的放大。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-根据时刻对时刻的系统需求，用户可能想要实时修改用于修改放大器增益的电阻网络。这可以通过CMOS开关来实现，该开关可以在不同的网络组合之间切换，以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，通过在原始输入频率上增加或减去第二个输入频率。调制器也合并单独的信号，但这样做是通过一个信号的符号乘以另一个信号的值。
• 取样保持的-围绕放大器构建的用于数据收集目的的电路。电路从接受信号时的采样或跟踪阶段，发展到为以后的输入保留信号的过渡跟踪到保持阶段。信号被持续保持，直到第二个过渡保持跟踪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是关键的点上保持信号的精度，例如在ADC转换之前和转换期间。
• 开关和多路复用器-允许电路控制和信号传播路径的选择。
• 附加数学函数如乘法或对数函数的使用。

简而言之，模拟设计可以大量利用运算放大器配置和应用程序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在上面简要地提到了，但是希望读者已经注意到数字和模拟设计的不可分离性。仅仅在一个领域中运行的设计远非不可能。混合信号技术众所周知，无论是在元件层面还是电路板层面，它都将模拟和数字元素融入到设计中。

表面上,裂地话题在讨论混合信号设计时出现。分割地是在模拟和数字元件及走线之间划分地的概念。这已经成为一个PCB主题，往往会吸引一些不那么严格的工程学科最佳实践。首先要把显而易见的东西排除在外，地面就是地面。这种自反性的陈述似乎很明显，但值得强调的是，将基础分离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，解决模拟和数字鸿沟的最好方法就是根本不制造鸿沟;如果可能的话，保持模拟组件和轨迹在物理上与数字组件和轨迹分开，并且单个地平面可以毫无问题地处理单独的返回路径。如上所述，封装可能包含内部模拟电路和数字电路，使得统一地面成为不可能。这也掩盖了其他电路约束——即使可以绕过分裂地，调整位置和路由考虑到整个设计可能会使它非常不切实际。

分割地平面有助于确保模拟电路和数字电路之间的信号完整性，不会通过耦合过度损害彼此。因为地是地，所以必须至少有一点模拟地(AGND)和数字地(DGND)必须绑在一起。通常，通过在引脚之间路由短而直接的跟踪，这直接发生在有问题的组件上。然而，设计师可能希望避免创建一个单一的点，这可能会导致过于迂回的返回路径。对于设计师来说，在这个看似矛盾的最佳实践必须协调的时刻，什么是最好的选择?设计人员应该认识到数据转换是一种模拟功能，因此转换器应该有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。

如何连接分裂平面

分割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平面仍然是一个问题。大多数设计人员很快就了解到，在分割平面间隙上布线是信号完整性的大罪，因为返回路径形成了大电流回路，这可能很快导致可怕的EMI发射。背靠背肖特基二极管可用于帮助防止AGND和DGND引脚之间产生足够大的电位，以防止电路损坏。铁氧体珠也可以用于在低频下创建通道，同时成为高电阻，并在高频下作为一个开口。这种低通滤波器行为确保低频模拟信号可以很容易地在分离的地平面之间流动，同时将高速数字信号限制在各自的地平面上。高速模拟系统不过，需要另一种方法来绑定地平面。

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