電路設計誤區的14項解析及模擬電路設計注意事項-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-09-12
在解析電路設計誤區之前，我們先來看看電子電路設計基本流程。
1、先分析所要實現的功能，并對其功能進行歸類整合，明確輸入變量、輸出變量和中間變量。
2、提出電路的功能要求，明確各功能塊的功能及其相互間的連接關系，并作框圖設計。
3、確定或者設計各單元電路，確定其中的主要器件，給出單元電路圖。
4、整合各單元電路，規范設計統一的供電電路即電源電路，并做好級聯的設計。
5、設計詳盡電路全圖，確定全部元器件并給出需用元器件清單。
6、根據元器件和電路設計印制電路板圖，并給出相應的元器件分布圖、接線圖等。如果是整機的，一般還要提供整機結構圖。
7、實現工藝比較復雜以及有特殊工藝要求的，需要給出工藝要求說明，或者給出工藝設計報告。
8、進行業余設計或者屬于單體實驗開發類的電路設計時，還要經過調試與測試。并給出實驗與測試的結果。
9、寫出設計說明書或者設計報告。
1、電路設計
依據電路功能完成電路的設計。
2、前仿真
電路功能的仿真，包括功耗，電流，電壓，溫度，壓擺幅，輸入輸出特性等參數的仿真。
3、版圖設計（Layout）
依據所設計的電路畫版圖。一般使用Cadence軟件。
4、后仿真
對所畫的版圖進行仿真，并與前仿真比較，若達不到要求需修改或重新設計版圖。
5、后續處理
將版圖文件生成GDSII文件交予Foundry流片。
誤區一：這板子的PCB 設計要求不高，就用細一點的線，自動布吧。
點評：自動布線必然要占用更大的PCB 面積，同時產生比手動布線多好多倍的過孔，在批量很大的產品中，PCB 廠家降價所考慮的因素除了商務因素外，就是線寬和過孔數量，它們分別影響到PCB 的成品率和鉆頭的消耗數量，節約了供應商的成本，也就給降價找到了理由。
誤區二：這些總線信號都用電阻拉一下，感覺放心些。
點評：信號需要上下拉的原因很多，但也不是個個都要拉。上下拉電阻拉一個單純的輸入信號，電流也就幾十微安以下，但拉一個被驅動了的信號，其電流將達毫安級，現在的系統常常是地址數據各32位，可能還有244/245 隔離后的總線及其它信號，都上拉的話，幾瓦的功耗就耗在這些電阻上了。
誤區三：CPU 和FPGA的這些不用的I/O 口怎么處理呢？先讓它空著吧，以后再說。
點評：不用的I/O 口如果懸空的話，受外界的一點點干擾就可能成為反復振蕩的輸入信號了，而MOS 器件的功耗基本取決于門電路的翻轉次數。如果把它上拉的話，每個引腳也會有微安級的電流，所以最好的辦法是設成輸出（當然外面不能接其它有驅動的信號）。
誤區四：這款FPGA還剩這么多門用不完，可盡情發揮吧。
點評：FGPA的功耗與被使用的觸發器數量及其翻轉次數成正比，所以同一型號的FPGA在不同電路不同時刻的功耗可能相差100 倍。盡量減少高速翻轉的觸發器數量是降低FPGA功耗的根本方法。
誤區五：這些小芯片的功耗都很低，不用考慮。
點評：對于內部不太復雜的芯片功耗是很難確定的，它主要由引腳上的電流確定，一個ABT16244，沒有負載的話耗電大概不到1 毫安，但它的指標是每個腳可驅動60毫安的負載（如匹配幾十歐姆的電阻），即滿負荷的功耗最大可達60*16=960mA ，當然只是電源電流這么大，熱量都落到負載身上了。
誤區六：存儲器有這么多控制信號，我這塊板子只需要用OE和WE信號就可以了，片選就接地吧，這樣讀操作時數據出來得快多了。
點評：大部分存儲器的功耗在片選有效時（不論OE和WE如何）將比片選無效時大100 倍以上，所以應盡可能使用CS來控制芯片，并且在滿足其它要求的情況下盡可能縮短片選脈沖的寬度。
誤區七：這些信號怎么都有過沖啊？只要匹配得好，就可消除了。
點評：除了少數特定信號外（如100BASE-T 、CML ），都是有過沖的，只要不是很大，并不一定都需要匹配，即使匹配也并非要匹配得最好。象TTL 的輸出阻抗不到50歐姆，有的甚至20歐姆，如果也用這么大的匹配電阻的話，那電流就非常大了，功耗是無法接受的，另外信號幅度也將小得不能用，再說一般信號在輸出高電平和輸出低電平時的輸出阻抗并不相同，也沒辦法做到完全匹配。所以對TTL 、LVDS、422 等信號的匹配只要做到過沖可以接受即可。
誤區八：降低功耗都是硬件人員的事，與軟件沒關系。
點評：硬件只是搭個舞臺，唱戲的卻是軟件，總線上幾乎每一個芯片的訪問、每一個信號的翻轉差不多都由軟件控制的，如果軟件能減少外存的訪問次數（多使用寄存器變量、多使用內部CACHE 等）、及時響應中斷（中斷往往是低電平有效并帶有上拉電阻）及其它爭對具體單板的特定措施都將對降低功耗作出很大的貢獻。
誤區九：CPU 用大一點的CACHE ，就應該快了。
點評：CACHE 的增大，并不一定就導致系統性能的提高，在某些情況下關閉CACHE 反而比使用CACHE 還快。原因是搬到CACHE 中的數據必須得到多次重復使用才會提高系統效率。所以在通信系統中一般只打開指令CACHE ，數據CACHE 即使打開也只局限在部分存儲空間，如堆棧部分。同時也要求程序設計要兼顧CACHE 的容量及塊大小，這涉及到關鍵代碼循環體的長度及跳轉范圍，如果一個循環剛好比CACHE 大那么一點點，又在反復循環的話，那就慘了。
誤區十：存儲器接口的時序都是廠家默認的配置，不用修改的。
點評：BSP 對存儲器接口設置的默認值都是按最保守的參數設置的，在實際應用中應結合總線工作頻率和等待周期等參數進行合理調配。有時把頻率降低反而可提高效率，如RAM 的存取周期是70ns，總線頻率為40M 時，設3 個周期的存取時間，即75ns即可；若總線頻率為50M 時，必須設為4 個周期，實際存取時間卻放慢到了80ns。
誤區十一：這個CPU 帶有DMA 模塊，用它來搬數據肯定快。
點評：真正的DMA 是由硬件搶占總線后同時啟動兩端設備，在一個周期內這邊讀，那邊寫。但很多嵌入CPU 內的DMA 只是模擬而已，啟動每一次DMA 之前要做不少準備工作（設起始地址和長度等），在傳輸時往往是先讀到芯片內暫存，然后再寫出去，即搬一次數據需兩個時鐘周期，比軟件來搬要快一些（不需要取指令，沒有循環跳轉等額外工作），但如果一次只搬幾個字節，還要做一堆準備工作，一般還涉及函數調用，效率并不高。所以這種DMA 只對大數據塊才適用。
誤區十二：100M的數據總線應該算高頻信號，至于這個時鐘信號頻率才8K，問題不大。
點評：數據總線的值一般是由控制信號或時鐘信號的某個邊沿來采樣的，只要針對這個邊沿保持足夠的建立時間和保持時間即可，此范圍之外有干擾也罷過沖也罷都不會有多大影響（當然過沖最好不要超過芯片所能承受的最大電壓值），但時鐘信號不管頻率多低（其實頻譜范圍是很寬的），它的邊沿才是關鍵的，必須保證其單調性，并且跳變時間需在一定范圍內。
誤區十三：既然是數字信號，邊沿當然是越陡越好。
點評：邊沿越陡，其頻譜范圍就越寬，高頻部分的能量就越大；頻率越高的信號就越容易輻射（如微波電臺可做成手機，而長波電臺很多國家都做不出來），也就越容易干擾別的信號，而自身在導線上的傳輸質量卻變得越差，因此能用低速芯片的盡量使用低速芯片。
誤區十四：信號匹配真麻煩，如何才能匹配好呢？
點評：總的原則是當信號在導線上的傳輸時間超過其跳變時間時，信號的反射問題才顯得重要。信號產生反射的原因是線路阻抗的不均勻造成的，匹配的目的就是為了使驅動端、負載端及傳輸線的阻抗變得接近。但能否匹配得好，與信號線在PCB 上的拓撲結構也有很大關系，傳輸線上的一條分支、一個過孔、一個拐角、一個接插件、不同位置與地線距離的改變等都將使阻抗產生變化，而且這些因素將使反射波形變得異常復雜，很難匹配，因此高速信號僅使用點到點的方式，盡可能地減少過孔、拐角等問題。
（1）為了獲得具有良好穩定性的反饋電路，通常要求在反饋環外面使用一個小電阻或扼流圈給容性負載提供一個緩沖。
（2）積分反饋電路通常需要一個小電阻（約560歐）與每個大于10pF的積分電容串聯。
（3）在反饋環外不要使用主動電路進行濾波或控制EMC的RF帶寬，而只能使用被動元件（最好為RC電路）。僅僅在運放的開環增益比閉環增益大的頻率下，積分反饋方法才有效。在更高的頻率下，積分電路不能控制頻率響應。
（4）為了獲得一個穩定的線性電路，所有連接必須使用被動濾波器或其他抑制方法（如光電隔離）進行保護。
（5）使用EMC濾波器，并且與IC相關的濾波器都應該和本地的0V參考平面連接。
（6）在外部電纜的連接處應該放置輸入輸出濾波器，任何在沒有屏蔽系統內部的導線連接處都需要濾波，因為存在天線效應。另外，在具有數字信號處理或開關模式的變換器的屏蔽系統內部的導線連接處也需要濾波。
（7）在模擬IC的電源和地參考引腳需要高質量的RF去耦，這一點與數字IC一樣。但是模擬IC通常需要低頻的電源去耦，因為模擬元件的電源噪聲抑制比（PSRR）在高于1KHz后增加很少。在每個運放、比較器和數據轉換器的模擬電源走線上都應該使用RC或LC濾波。電源濾波器的拐角頻率應該對器件的PSRR拐角頻率和斜率進行補償，從而在整個工作頻率范圍內獲得所期望的PSRR。
（8）對于高速模擬信號，根據其連接長度和通信的最高頻率，傳輸線技術是必需的。即使是低頻信號，使用傳輸線技術也可以改善其抗干擾性，但是沒有正確匹配的傳輸線將會產生天線效應。
（9）避免使用高阻抗的輸入或輸出，它們對于電場是非常敏感的。
（10）由于大部分的輻射是由共模電壓和電流產生的，并且因為大部分環境的電磁干擾都是共模問題產生的，因此在模擬電路中使用平衡的發送和接收（差分模式）技術將具有很好的EMC效果，而且可以減少串擾。平衡電路（差分電路）驅動不會使用0V參考系統作為返回電流回路，因此可以避免大的電流環路，從而減少RF輻射。
（11）比較器必須具有滯后（正反饋），以防止因為噪聲和干擾而產生的錯誤的輸出變換，也可以防止在斷路點產生振蕩。不要使用比需要速度更快的比較器（將dV/dt保持在滿足要求的范圍內，盡可能低）。
（12）有些模擬IC本身對射頻場特別敏感，因此常常需要使用一個安裝在PCB上，并且與PCB的地平面相連接的小金屬屏蔽盒，對這樣的模擬元件進行屏蔽。注意，要保證其散熱條。
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