電子系統錯誤通常是模擬的，而不是數字的。模擬容易出現信噪比、串擾和線性問題。本應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計的陷阱，因此示例展示了如何使用現有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，許多可預防的疾病仍然存在 - 未能洗手并定期采取合理的安全預防措施。

現在你問，電子IC設計洗手有什么意義？很多時候，電子系統故障被歸咎于零件，而真正的原因是人為錯誤。在這些人為錯誤中，最常見的是對數字世界中模擬的理解不足。很多時候，才華橫溢的數字設計師從未學習過模擬技術，因為工程學校正在減少模擬教學的數量。然而，Maxim是一家模擬混合信號公司。在本應用筆記中，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驗，請找一位有這種經驗的老師。永遠，永遠，永遠不要從交流設備上移除安全接地（電源線上的第三個插腳）。更簡潔地重申，永遠不要打敗安全裝置——它可能會讓你付出生命的代價。

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換器，從高阻抗探頭到低阻抗輸出。許多示波器都有一個垂直輸出，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。廉價的UPS具有方波或修正正弦波輸出。這些輸出的上升時間會在測試設置中引入噪聲。您需要在 UPS 上使用電池，而無需將其插入墻上插座。因此，UPS必須足夠強大，以便為您的所有測試設備供電。驗證 UPS 是否適合您的設計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。現在連接到您的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。

現在我們已經觀察到“安全第一”，我們可以繼續測試了。

保護電源和接地

現在，我們將介紹一些想法，通過更改外部電路來幫助節省系統和片上系統 （SOC） 設計。我們將列出想法并參考其他來源以獲取詳細信息。

我們將擴展這些概念。串擾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？如果有一個特定的電路貢獻了相當大的噪聲，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。（我們將討論應用筆記4993中的第二個選項，“減少人為錯誤的機會：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。

我們應該回顧一些基本的內務管理項目。進入的信號電平和帶寬是多少，當它退出此階段時需要什么？噪聲的幅度和帶寬是多少（希望它的來源是什么）？是開關電源的諧波嗎？

我們首先關注電源噪聲。我們可以對插入電阻和電感的噪聲進行低通濾波，并將電源和電容器串聯到地。我們可以在頻率上走多遠（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，這是不切實際的，因為充電時間常數也是無限長的。或者，我們可以打開設備并在它開始之前變老。實際上，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入ADC，抗混疊濾波器可能會有所幫助。（有關該主題的進一步討論，請參見應用筆記4993。

當地地面

我們應該停止將“地面”視為吞噬一切的絕對黑洞。應用筆記4292“地面在哪里？”幫助我們認識到地面是相對的。宇宙飛船上的電路有一個我們稱之為地面的本地參考。該電路運行良好，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心這種語義差異，因為該電路只識別本地接地和電源電壓之間的差異。

解耦和均質化

現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”。均質化是微小顆粒混合，如牛奶。均質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。因為我們武斷地稱接地為參考，所以接地似乎總是“干凈”的噪聲。為了測量這一點，我們實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參考進行比較，那么我們可能會對噪聲不滿意。

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

查看線性穩壓器和基準電壓源的電源抑制比（PSRR），請參見其各自的數據手冊。然后測量電源（通常是開關電源）的噪聲及其帶寬。對于原型，隔離噪聲源并確定入侵方法。我們已經看到輻射到電路板走線中的噪聲充當無線電天線，或者從電源變壓器延伸出來的磁場進入電感器。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汽車電池和線性穩壓器構成了一個相對安靜且廉價的工具，用于比較低壓電路中的噪聲水平。

應用筆記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或多個外部RC濾波器級聯。圖2顯示了帶有二階級聯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。

圖 2.二階RC濾波器的頻率響應。

應用筆記883關于濾除功率以消除噪聲的第二個建議是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。這種設計會導致較大的功率損耗來抑制濾波器。進行不等式端接的數學運算超出了該應用筆記的范圍。圖3使用自由濾波器設計程序產生所需的不等端接。

圖 3.允許不相等端接電阻的濾波器設計程序。

該程序可以輕松實現實用的過濾器。RC和LC濾波器可以在Micro-Cap程序中級聯和仿真。

應用筆記883的第三個建議是級聯兩個線性穩壓器。第二個穩壓器可以是輕負載的極低噪聲基準電壓源。

示波器探頭接地

即使是 3 英寸的接地夾也可能是一個問題。如果在測量之間必須將接地夾更改為另一個接地點，則結果可能不同。因此，首先去實驗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，可以使用第二個解剖針來擴展示波器探頭尖端。

考慮一個例子。觀察去耦電容，看看它的效果如何。理想情況下，電容器應該看起來像短路，并且在電容器的頻率范圍內應該有很小的噪聲。前面我們提到了去耦電容器和兩個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，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電阻。

裕量是一種測試電子零件的技術。一些工程師將其與頁面上文本周圍的空間進行比較;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。保證金技術已經存在了很長時間，但最近在計算機領域越來越受歡迎。一些工程師發現，增加電源電壓可以使某些電路運行得更快，也就是說，如果它們不會過熱和失效。制造商已經開始將他們的電路板分箱或分類為速度組，以高價出售更快的電路板。隨著事情的發展，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。在邊際附近運行不佳的電路板表明容忍度增強，這提供了更多的失敗機會。因此，裕量調節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測試。

電源

電源始終至關重要。了解開關電源和可用設計的范圍將很有幫助。

高噪聲開關電源

開關電源因噪音大而聲名狼藉。有些批評是應得的，有些則不是。很多時候，經驗豐富的工程師手中的同一IC電源不會有問題。許多經理錯誤地將電源降級給新工程師，因為它們“易于”設計。 “只需像數據手冊中所說的那樣連接IC，”它應該可以工作。我們見過設計的噩夢，但是當經驗豐富的設計師將組件旋轉八分之一英寸時，強烈的噪音突然被修復，從而增加了地面痕跡。更多時候，消除噪聲需要進一步的工作，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。

開關電源、音頻和無線電的特殊挑戰

很多時候，查看極其困難的示例來理解這些概念是有幫助的。開關電源、音頻和收音機就是這樣困難的例子。由于高電流和快速開關上升和下降時間，電源存在問題。音頻存在信噪比問題，因為人類的聽覺具有寬動態范圍。無線電必須從噪聲中提取信號，很多時候無線部分的損耗都在100dB以上。

星形接地和返回電流控制

現在我們回到應用筆記4345：“接地氣，數字即模擬”。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。

結論

如果我們有一個千篇一律的方法來解決每一個噪音問題，工程師們肯定會很高興。但工程設計并不是那么容易。即使是經驗豐富的模擬設計人員也會計劃至少三個PCB布局，甚至在進入試生產運行之前調整布局。我們希望這些技術將有助于指導思考如何在設計過程中解決電源和接地問題。

審核編輯：郭婷

審核編輯：郭婷