減少人為錯誤的機(jī)會：電源和接地

電子系統(tǒng)錯誤通常是模擬的，而不是數(shù)字的。模擬容易出現(xiàn)信噪比、串?dāng)_和線性問題。本應(yīng)用筆記討論了對電源和接地清潔度及完整性的需求。模擬接口可能是許多設(shè)計(jì)的陷阱，因此示例展示了如何使用現(xiàn)有IC來克服常見的模擬問題。

介紹

洗手似乎是簡單的常識。人們常說，由于人為錯誤，許多可預(yù)防的疾病仍然存在 - 未能洗手并定期采取合理的安全預(yù)防措施。

現(xiàn)在你問，電子IC設(shè)計(jì)洗手有什么意義？很多時(shí)候，電子系統(tǒng)故障被歸咎于零件，而真正的原因是人為錯誤。在這些人為錯誤中，最常見的是對數(shù)字世界中模擬的理解不足。很多時(shí)候，才華橫溢的數(shù)字設(shè)計(jì)師從未學(xué)習(xí)過模擬技術(shù)，因?yàn)楣こ虒W(xué)校正在減少模擬教學(xué)的數(shù)量。然而，Maxim是一家模擬混合信號公司。在本應(yīng)用筆記中，我們分享了一些模擬概念，這些概念將有助于克服常見的“人為”誤差并改善系統(tǒng)周圍的模擬電路。

安全第一

為了測試某事而失去生命并不是一件好事。因此，如果您沒有高壓故障排除經(jīng)驗(yàn)，請找一位有這種經(jīng)驗(yàn)的老師。永遠(yuǎn)，永遠(yuǎn)，永遠(yuǎn)不要從交流設(shè)備上移除安全接地（電源線上的第三個(gè)插腳）。更簡潔地重申，永遠(yuǎn)不要打敗安全裝置——它可能會讓你付出生命的代價(jià)。

隔離變壓器的問題

我們將審查一些刪除或破壞安全功能的替代方案。首先考慮隔離變壓器。隔離安全接地似乎是將電路噪聲降至最低的好主意。但是，有更好的選擇。例如，可以使用隔離變壓器來隔離電源線。請記住始終用歐姆表檢查隔離變壓器的絕緣，并檢查輸入和輸出繞組之間的電阻。這些簡單的步驟可能會挽救您的生命。更昂貴的隔離變壓器集成了法拉第屏蔽，這是一種靜電屏蔽，有助于減少變壓器之間的噪聲傳遞。變壓器必須足夠大，以承載您需要隔離的所有電源，至少是被測器件（DUT）、電源、示波器和頻譜分析儀。

示波器可用作放大器或阻抗轉(zhuǎn)換器，從高阻抗探頭到低阻抗輸出。許多示波器都有一個(gè)垂直輸出，可以插入頻譜分析儀。如果需要更高的輸入阻抗，可以添加有源供電的FET示波器探頭。

隔離變壓器的替代方案是不間斷電源 （UPS）。確保UPS具有干凈的電源輸出。廉價(jià)的UPS具有方波或修正正弦波輸出。這些輸出的上升時(shí)間會在測試設(shè)置中引入噪聲。您需要在 UPS 上使用電池，而無需將其插入墻上插座。因此，UPS必須足夠強(qiáng)大，以便為您的所有測試設(shè)備供電。驗(yàn)證 UPS 是否適合您的設(shè)計(jì)的最簡單方法是從墻上插座正常為示波器供電。在探頭短路的情況下，增加增益并注意頻譜分析儀上的噪聲和本底噪聲?，F(xiàn)在連接到您的UPS，看看噪音是否惡化。如果噪聲過高，可能需要具有真正正弦波輸出的更昂貴的UPS。

現(xiàn)在我們已經(jīng)觀察到“安全第一”，我們可以繼續(xù)測試了。

保護(hù)電源和接地

現(xiàn)在，我們將介紹一些想法，通過更改外部電路來幫助節(jié)省系統(tǒng)和片上系統(tǒng) （SOC） 設(shè)計(jì)。我們將列出想法并參考其他來源以獲取詳細(xì)信息。

我們將擴(kuò)展這些概念。串?dāng)_和信噪比表示為比率，即好與壞的比例。如何改善信號的信噪比？如果有一個(gè)特定的電路貢獻(xiàn)了相當(dāng)大的噪聲，我們可以做兩件事：首先，以某種方式降低噪聲，或者其次，在良好信號通過階段之前增加其幅度。（我們將討論應(yīng)用筆記4993中的第二個(gè)選項(xiàng)，“減少人為錯誤的機(jī)會：第2部分，模擬接口的超級放大器和濾波器”。圖 1 說明了該概念。

圖1.電源噪聲或接地被添加到信號中。

我們應(yīng)該回顧一些基本的內(nèi)務(wù)管理項(xiàng)目。進(jìn)入的信號電平和帶寬是多少，當(dāng)它退出此階段時(shí)需要什么？噪聲的幅度和帶寬是多少（希望它的來源是什么）？是開關(guān)電源的諧波嗎？

我們首先關(guān)注電源噪聲。我們可以對插入電阻和電感的噪聲進(jìn)行低通濾波，并將電源和電容器串聯(lián)到地。我們可以在頻率上走多遠(yuǎn)（低）？我們真的只想要來自電源的純直流電。我們可以使用無限大的電感器和電容器。然而，這是不切實(shí)際的，因?yàn)槌潆姇r(shí)間常數(shù)也是無限長的?；蛘撸覀兛梢源蜷_設(shè)備并在它開始之前變老。實(shí)際上，電感器和電容器的尺寸和成本才是真正的極限。因此，我們想知道噪聲的頻率特性。如果由于電源切換而達(dá)到50kHz或更高，并且我們想要的信號是1kHz，則濾波可能是可行的。

如果我們接下來要進(jìn)入ADC，抗混疊濾波器可能會有所幫助。

當(dāng)?shù)氐孛?/p>

我們應(yīng)該停止將“地面”視為吞噬一切的絕對黑洞。應(yīng)用筆記4292“地面在哪里？”幫助我們認(rèn)識到地面是相對的。宇宙飛船上的電路有一個(gè)我們稱之為地面的本地參考。該電路運(yùn)行良好，即使宇宙飛船的潛力與地球不同。英式英語單詞“earth”在北美通常被翻譯為“安全地面”。宇宙飛船電路并不關(guān)心這種語義差異，因?yàn)樵撾娐分蛔R別本地接地和電源電壓之間的差異。

解耦和均質(zhì)化

現(xiàn)在嘗試可視化功率去耦電容器在宇宙飛船電路中的作用。電容器（在高頻下）使電源電壓上的噪聲與本地接地上的噪聲相匹配。它使噪音“均勻化”。均質(zhì)化是微小顆?；旌?，如牛奶。均質(zhì)迫使牛奶在高壓下通過小孔。這會將乳脂顆粒分解成非常小的尺寸，具有更大的表面積，并且更耐分離和結(jié)塊。

在電氣類比中，高頻噪聲通過電容器雙向傳播：從電源電壓到地，以及從地到電源電壓。因?yàn)槲覀兾鋽嗟胤Q接地為參考，所以接地似乎總是“干凈”的噪聲。為了測量這一點(diǎn)，我們實(shí)際上是在測量功率和地面之間的差異，就像宇宙飛船上的電路一樣，這讓我們感到高興。如果我們只測量與另一個(gè)參考進(jìn)行比較，那么我們可能會對噪聲不滿意。

兩個(gè)免費(fèi)的SPICE自共振程序的鏈接可在校準(zhǔn)，修剪和調(diào)整中找到。請注意，電容器從來都不是純電容器，而是具有串聯(lián)電感和電阻等功能。在自諧振點(diǎn)以上，電容器的作用類似于電感器，但是，去耦作用在自諧振點(diǎn)以上繼續(xù)有效一段時(shí)間。電源路徑中的導(dǎo)線、走線和過孔中的串聯(lián)電阻與電感阻抗（歐姆的一小部分剛好高于自諧振）一起充當(dāng)分壓器，直到電感的等效串聯(lián)電阻上升。

查看線性穩(wěn)壓器和基準(zhǔn)電壓源的電源抑制比（PSRR），請參見其各自的數(shù)據(jù)手冊。然后測量電源（通常是開關(guān)電源）的噪聲及其帶寬。對于原型，隔離噪聲源并確定入侵方法。我們已經(jīng)看到輻射到電路板走線中的噪聲充當(dāng)無線電天線，或者從電源變壓器延伸出來的磁場進(jìn)入電感器。來自外部電路和電源的噪聲也會污染電源的電源和接地。12V汽車電池和線性穩(wěn)壓器構(gòu)成了一個(gè)相對安靜且廉價(jià)的工具，用于比較低壓電路中的噪聲水平。

應(yīng)用筆記883提出了幾種濾除電源以消除噪聲的方法。第一種方法使用一個(gè)或多個(gè)外部RC濾波器級聯(lián)。圖2顯示了帶有二階級聯(lián)低通濾波器的頻譜軟件微型電容電路仿真器及其頻率響應(yīng)。

圖 2.二階RC濾波器的頻率響應(yīng)。

應(yīng)用筆記883關(guān)于濾除功率以消除噪聲的第二個(gè)建議是LC濾波器。這種方法建議使用具有相等輸入和輸出端接電阻的濾波器。這種設(shè)計(jì)會導(dǎo)致較大的功率損耗來抑制濾波器。進(jìn)行不等式端接的數(shù)學(xué)運(yùn)算超出了該應(yīng)用筆記的范圍。圖3使用自由濾波器設(shè)計(jì)程序產(chǎn)生所需的不等端接。Nuhertz Technologies 的 Filter Free 計(jì)劃鏈接可在 Calibrate， Trim， and Adjust 中找到。

圖 3.允許不相等端接電阻的濾波器設(shè)計(jì)程序。

該程序可以輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)用的過濾器。RC和LC濾波器可以在Micro-Cap程序中級聯(lián)和仿真。

應(yīng)用筆記883的第三個(gè)建議是級聯(lián)兩個(gè)線性穩(wěn)壓器。第二個(gè)穩(wěn)壓器可以是輕負(fù)載的極低噪聲基準(zhǔn)電壓源。

示波器探頭接地

即使是 3 英寸的接地夾也可能是一個(gè)問題。如果在測量之間必須將接地夾更改為另一個(gè)接地點(diǎn)，則結(jié)果可能不同。因此，首先去實(shí)驗(yàn)室抽屜里尋找示波器探頭附帶的小塑料袋。袋子里有看起來很奇怪的金屬片，用于在取下絕緣蓋后放置在探頭上的短接地連接。

這是我們在Maxim使用的一個(gè)技巧。通過將縫紉針壓入一塊木頭的末端來制作工具（圖4）。

圖4.一種將接地插入示波器探頭的簡單工具。

取下接地引線和鱷魚夾。取下塑料探頭尖端蓋。然后，大多數(shù)探頭將露出接地套管。使接地盡可能靠近電路。如果難以獲得信號板，可以使用第二個(gè)解剖針來擴(kuò)展示波器探頭尖端。

考慮一個(gè)例子。觀察去耦電容，看看它的效果如何。理想情況下，電容器應(yīng)該看起來像短路，并且在電容器的頻率范圍內(nèi)應(yīng)該有很小的噪聲。前面我們提到了去耦電容器和兩個(gè)SPICE程序，可以幫助我們可視化它們的有效性。圖 5 是 Kemet? 程序的屏幕截圖。此處，0.1μF電容的自諧振頻率約為15MHz;超過15MHZ時(shí)，它們是電感器，不再用作去耦電容。

圖 5.0.1μF電容器上的阻抗和等效串聯(lián)電阻。

保證金

裕量是一種測試電子零件的技術(shù)。一些工程師將其與頁面上文本周圍的空間進(jìn)行比較;紙張上的邊距意味著文本將位于頁面上，即使文本到紙張的對齊方式存在容差也是如此。保證金技術(shù)已經(jīng)存在了很長時(shí)間，但最近在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域越來越受歡迎。一些工程師發(fā)現(xiàn)，增加電源電壓可以使某些電路運(yùn)行得更快，也就是說，如果它們不會過熱和失效。制造商已經(jīng)開始將他們的電路板分箱或分類為速度組，以高價(jià)出售更快的電路板。隨著事情的發(fā)展，制造商還了解到，通過改變電源電壓，可以評估電路板的可靠性。在邊際附近運(yùn)行不佳的電路板表明容忍度增強(qiáng)，這提供了更多的失敗機(jī)會。因此，裕量調(diào)節(jié)已成為一種常見的最終測試程序，即在稍高和稍低的功率電壓下重復(fù)測試。

電源

電源始終至關(guān)重要。了解開關(guān)電源和可用設(shè)計(jì)的范圍將很有幫助。

Maxim的EE-Sim?工具可生成具有高效仿真引擎的交互式原理圖。EE-Sim軟件包含25個(gè)開關(guān)電容濾波器程序和25個(gè)電源電路（截至2011年<>月），并且還在繼續(xù)添加更多。

我們不能離開電源的話題而不提及散熱因素。

高噪聲開關(guān)電源

開關(guān)電源因噪音大而聲名狼藉。有些批評是應(yīng)得的，有些則不是。很多時(shí)候，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師手中的同一IC電源不會有問題。許多經(jīng)理錯誤地將電源降級給新工程師，因?yàn)樗鼈儭耙子凇痹O(shè)計(jì)?！爸恍柘駭?shù)據(jù)手冊上所說的那樣連接IC，”它應(yīng)該可以工作。我們見過設(shè)計(jì)的噩夢，但是當(dāng)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師將組件旋轉(zhuǎn)八分之一英寸時(shí)，強(qiáng)烈的噪音突然被修復(fù)，從而增加了地面痕跡。更多時(shí)候，消除噪聲需要進(jìn)一步的工作，但解決方案完全植根于對芯片周圍流動的電流，尤其是接地中的電流。

開關(guān)電源、音頻和無線電的特殊挑戰(zhàn)

很多時(shí)候，查看極其困難的示例來理解這些概念是有幫助的。開關(guān)電源、音頻和收音機(jī)就是這樣困難的例子。由于高電流和快速開關(guān)上升和下降時(shí)間，電源存在問題。音頻存在信噪比問題，因?yàn)槿祟惖穆犛X具有寬動態(tài)范圍。無線電必須從噪聲中提取信號，很多時(shí)候無線部分的損耗都在100dB以上。

星形接地和返回電流控制

現(xiàn)在我們回到應(yīng)用筆記4345：“接地氣，數(shù)字即模擬”。這篇文章提供了一些喜劇性的緩解，以演示簡單但有效的星形接地和返回電流控制。

結(jié)論

如果我們有一個(gè)千篇一律的方法來解決每一個(gè)噪音問題，工程師們肯定會很高興。但工程設(shè)計(jì)并不是那么容易。即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬設(shè)計(jì)人員也會計(jì)劃至少三個(gè)PCB布局，甚至在進(jìn)入試生產(chǎn)運(yùn)行之前調(diào)整布局。我們希望這些技術(shù)將有助于指導(dǎo)思考如何在設(shè)計(jì)過程中解決電源和接地問題。

審核編輯：郭婷