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。

模拟传感器充当数字电路与外界之间的转换器

模拟设计在现代数字电路世界中似乎有些过时，但它仍然具有独特和不可替代的作用。大多数情况下，学生和业余爱好者可能从模拟设计开始，因为组件内容的直接性质。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相吻合，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，将其放在对应的技术环境中考虑是有帮助的:数字技术。两种格式各有利弊;它们结合在一起对现代电子世界是不可或缺的。此外，事实证明它们的互补性大于竞争性，能够提供对方在动态电子共生中所缺乏的功能。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，与数字信号的离散的高信号和低信号相反。实际上，模拟是按信号本身来表示的，而不是时间采样表示。这些信号代表了信号的参数与被测量或被生成的信号之间的直接关系类似的与一些物理现象有关。改变信号的特性，如电压或频率，就会引起输出的变化，反之亦然。

模拟信号产生于与物理世界的直接接口。因此，它们具有重要的功能，代表设备与其周围介质之间的某种相关性。这通常会出现在pcb作为板载传感器，其中传感器的模拟输出可以被馈送到模拟-数字(ADC)转换器进行额外处理。接下来将会有更多关于dac和adc的内容，但在这个连接点上，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所有东西中。

与数字信号相比，由于媒体格式和处理的原因，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导致一些噪声特性，但与模拟存储中潜在的持续退化相比，这些特性已经被考虑到演算中。此外，现有的纠正这种数字退化的方法在模拟格式中是不可用的。这是否意味着在所有情况下，数字技术都能超越模拟技术?几乎没有。

让我们暂时从PCB设计的世界后退一步，声音爱好者论坛从几十年前成立以来就一直在无休止地争论模拟和数字的优点。已经生产了半个多世纪的模拟音频设备仍然可以卖到几千美元，尽管现代数字替代品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——有些人认为这是温暖的。虽然对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是次等技术的技术仍然有它的热情支持者。

运算放大器是模拟电路设计的基石

理想运算放大器示意图

电路中的模拟设计看起来像什么?首先，考虑什么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。运算放大器由逆变和非逆变输入、正负功率轨和输出组成。运算放大器内部有一个增益系数，它是输出电压与输入电压之比。在理想模型中，假定增益是无限的;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一个比较器。通过下拉电阻使逆变输入接地，并在非逆变输入上提供正或负电压，电压被增益放大。如果输入电压足够，电压就会到合适的轨道上——也就是说，正电压到正轨道上，反之亦然。

运算放大器的应用

如果放大的电压独自一人似乎有点乏味，这是有原因的。运算放大器可以使用反馈，或正或负(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，输出被绑回一条输入线上，通常有一些电阻网络，部分地定义了闭环增益。使用这种装置，就有可能设计出精确的放大。这只是运算放大器应用的开始，然而，下面列出了一些其他的用法:

• 可变增益放大-根据实时系统的需要，用户可能想要修改用于实时修改放大器增益的电阻网络。这可以通过CMOS开关来实现，它可以在不同的网络组合之间切换，以实现适应性更强的运放网络。VGA可以连接传感器和ADC，以降低信号的最小放大要求。
• 搅拌机和调节器-信号可以从一个频率混合到另一个频率，通过在原始的输入频率上增加或减去第二个输入频率。调制器也可以组合不同的信号，但通过将一个信号的符号乘以另一个信号的值来实现。
• 取样保持的一种围绕放大器建立的用于数据收集的电路。电路从接受信号时的采样或跟踪阶段发展到保留信号以供以后输入的过渡跟踪-保持阶段。该信号被持续持有，直到第二个过渡保持到跟踪阶段允许该信号继续进行进一步处理。这种功能允许电路在灵敏度是关键的时刻保持信号的精确度，例如在ADC转换之前和转换期间。
• 开关和多路复用器-允许电路控制和选择信号传播路径。
• 额外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运算放大器配置和应用程序来执行数字电路操作的必要适应。

为什么数字和模拟需要独立的地面?

上面我们简要地提到了ADC和DAC，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作的设计远非不可能。混合信号技术众所周知，它将模拟和数字元素融入到设计中，无论是在组件还是在板级。

表面上,裂地话题在讨论混合信号设计时出现。分地是指将模拟和数字元件及迹之间的地进行划分的概念。这已经成为一个PCB主题，往往会吸引一些不太严格的工程规程最佳实践。首先要把明显的东西清除掉，地面就是地面。这个自反性语句可能看起来很明显，但值得强调的是，将基础划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创造一个鸿沟;如果可能的话，保持模拟组件和轨迹物理上与它们的数字对应部分分离，一个单一的接地平面可以处理独立的返回路径而没有问题。如上所述，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。这也掩盖了其他的电路约束——即使绕过分裂的接地是可能的，兼顾位置和路线对整个设计的担忧可能使它非常不切实际。

分离的接地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。由于接地是接地，必须至少有一个点，模拟接地(AGND)和数字接地(DGND)必须连接在一起。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，设计师可能想要避免创造一个单一的点，可能导致过度迂回的返回路径。在这个看似矛盾的最佳实践必须得到调和的时刻，设计师的最佳选择是什么?设计人员应该认识到，数据转换是一个模拟功能，因此转换器应该有AGND和DGND引脚绑定到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。

如何连接分裂的平面

裂接地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就意识到，由于返回路径形成的大电流环，在分割平面间隙上布线是信号完整性的基本罪过，这可能很快导致可怕的EMI排放。背靠背肖特基二极管可用于防止AGND和DGND引脚之间产生足够大的电位，以防止对电路的损坏。铁氧体珠还可以用于在低频率下创建通道，同时成为高电阻和在高频下作为一个开口。这种低通滤波器行为确保了低频模拟信号可以很容易地在独立的接地面之间流动，同时将高速数字信号限制在各自的接地面上。高速模拟系统不过需要另一种连接地面的方法。

使用PCB工具进行模拟设计

模拟设计的世界是广阔的，它本身几乎是PCB设计的一个分支学科。为了有效和无痛苦地处理您的模拟需求，Cadence的集合PCB设计和分析软件提供工具，方便地构建和合并最佳实践，以一路上优化性能。