本教程強(qiáng)調(diào)了謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)電路的重要性，并仔細(xì)思考設(shè)計(jì)的各個(gè)方面。很多時(shí)候，工程師被數(shù)據(jù)手冊(cè)的規(guī)格引入歧途，要么是因?yàn)樗鼈兪撬纳嵛迦氲模词且驗(yàn)楣こ處熤挥涀×说湫鸵?guī)格。無(wú)論出現(xiàn)哪個(gè)陷阱，設(shè)計(jì)都可能產(chǎn)生災(zāi)難性的結(jié)果。本文檔解釋了為什么依賴四舍五入的數(shù)字和典型規(guī)格，以及支持仿真而不是物理原型會(huì)導(dǎo)致電路失效。

四舍五入的數(shù)字并不總是相加

正如美國(guó)政治家亨利·克萊（Henry Clay）曾經(jīng)說(shuō)過(guò)的那樣，“統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不能代替判斷。1對(duì)于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如此，對(duì)于數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格也是如此。隨著對(duì)設(shè)計(jì)工程師的要求不斷提高，以及效率的溢價(jià)，乍一看很容易相信器件的規(guī)格。然而，邏輯必須占上風(fēng)——無(wú)論是在電路設(shè)計(jì)中還是在現(xiàn)實(shí)世界中。工程師需要花時(shí)間充分考慮他們的設(shè)計(jì)，以避免因必要的（盡管有時(shí)具有誤導(dǎo)性）規(guī)格四舍五入而導(dǎo)致的錯(cuò)誤。

作為舍入陷阱的一個(gè)例子，一些帶有輸出緩沖器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）具有數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出的相互矛盾的規(guī)格。例如，輸出擺幅（無(wú)負(fù)載）為 0V （地） 至 V抄送，但零誤差和失調(diào)最大值為地以上10mV。

輸出緩沖器是一個(gè)運(yùn)算放大器（op amp）。多年前，早期的運(yùn)算放大器只能達(dá)到2V至3V的功率和地電壓，因此當(dāng)一個(gè)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為在毫伏以內(nèi)的地時(shí)，這是一個(gè)大問(wèn)題。一位營(yíng)銷天才創(chuàng)造了“軌到軌”一詞2來(lái)描述零件，它已成為行業(yè)公認(rèn)的通用術(shù)語(yǔ)。模擬工程師知道這不完全是一個(gè)真實(shí)的短語(yǔ)，但它很接近并且很容易說(shuō)出來(lái)。

輸出驅(qū)動(dòng)器的傳統(tǒng)配置（圖1A）無(wú)法靠近電源軌，因?yàn)樗谋M電流并削斷信號(hào)。圖1B顯示了一個(gè)軌到軌輸出，如果負(fù)載較輕，可以接近電源軌。3

圖1.輸出級(jí)：A） 常規(guī)運(yùn)算放大器輸出;B） “軌到軌”輸出。

至于DAC緩沖器或運(yùn)算放大器，如果沒(méi)有負(fù)載，則無(wú)法測(cè)量，因?yàn)椴淮嬖诰哂袩o(wú)限阻抗的儀表。而且我們知道每個(gè)實(shí)際電路都有有限的泄漏，因此輸出只能接近零。

區(qū)別在于四舍五入或觀察的密切程度?？紤]被測(cè)電路板（圖2）。我們使用顯示5V擺幅的示波器（圖2A）觀察，該器件的輸出似乎在5V和地之間擺動(dòng)，因?yàn)檎`差遠(yuǎn)小于走線寬度?，F(xiàn)在用 8 位數(shù)字和 1M 的萬(wàn)用表測(cè)量？輸入阻抗（圖 2B）。突然間，人們看穿了四舍五入的魔力——輸出接近地面，但永遠(yuǎn)不會(huì)等于地面，而不會(huì)四舍五入許多數(shù)字。

圖2.被測(cè)板：（A）用示波器觀察;和 （B） 帶萬(wàn)用表。

不熟悉的數(shù)字工程師可能會(huì)看到這個(gè)術(shù)語(yǔ)，并實(shí)際上認(rèn)為運(yùn)算放大器會(huì)接地。因此，他設(shè)計(jì)了DAC之后的下一個(gè)電路，使其必須歸零才能正常工作。盡管實(shí)際上，DAC輸出僅在幾毫伏以內(nèi)的地電壓。

除了“典型”之外的任何東西

不幸的是，依靠四舍五入的數(shù)字并不是唯一可以愚弄經(jīng)驗(yàn)不足（或過(guò)度勞累）的工程師的設(shè)計(jì)陷阱。此外，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮典型規(guī)格并不是很好的做法，尤其是當(dāng)設(shè)備要大量生產(chǎn)時(shí)。一位優(yōu)秀的模擬工程朋友說(shuō)：“你可以使任何電路中的一個(gè)工作。他的意思是，他可以選擇像晶體管早期那樣的組件，當(dāng)時(shí)某些電路只有在對(duì)晶體管進(jìn)行beta分類時(shí)才起作用。他可以手工調(diào)整電路，但沒(méi)有人可以批量生產(chǎn)它。

“典型”是識(shí)別神話平均值的統(tǒng)計(jì)陳述;它對(duì)設(shè)備群中的點(diǎn)進(jìn)行分類或命名。但是，在人口中可能沒(méi)有一個(gè)部分等于平均值，因?yàn)槠骄凳钦w的陳述，而不是個(gè)人的陳述。例如，讓我們使用一串?dāng)?shù)字：1、2、7 和 10?？倲?shù)是 20，除以 4 得到平均值 5。因此，數(shù)字字符串不包含平均數(shù) （5），但它確實(shí)包含一個(gè)平均值 （7），這是最接近平均值的數(shù)字。這與馬克吐溫的一句話相對(duì)應(yīng)：“人物經(jīng)常迷惑我，尤其是當(dāng)我自己安排它們時(shí)。

如果依賴于每個(gè)零件上的所有規(guī)格都是“典型”的，則有時(shí)特定電路可能無(wú)法正常工作。那么，為什么半導(dǎo)體制造商要在數(shù)據(jù)手冊(cè)上引用典型規(guī)格呢？它們僅供一般指導(dǎo)。作為人類，我們?cè)谌粘Ｉ钪凶鲱愃频氖虑椤＠?，我們可以談?wù)撘浴捌囬L(zhǎng)度”衡量的距離。有一次，安全專家建議在我們的車和我們前面的車之間留出空間。他們說(shuō)，我們每行駛 10 英里，就要留出一輛車長(zhǎng)的空間（每小時(shí) 6 英里意味著留下 8 輛車長(zhǎng)的空間）。這是一般規(guī)則，而不是精確的測(cè)量。畢竟，他們指的是智能汽車（2英尺或6.1956米）或18年凱迪拉克?（5.5英尺或9.<>米）的長(zhǎng)度。4)?今天，同樣的安全專家建議在汽車通過(guò)道路上的固定點(diǎn)時(shí)觀察前方，并每每小時(shí) 10 英里計(jì)算一秒。有人拿出秒表來(lái)測(cè)量嗎？只有工程師才會(huì)想要測(cè)量納秒——大多數(shù)人只是說(shuō)，“一，一千;兩個(gè)，一千“在他們的呼吸下來(lái)衡量這一點(diǎn)。

我們需要構(gòu)建一個(gè)物理原型嗎？

顯然，有必要將不同的錯(cuò)誤源添加到一起以正確評(píng)估系統(tǒng)錯(cuò)誤。這就是為什么使用應(yīng)用筆記很重要的原因5,6、計(jì)算器和設(shè)計(jì)工具作為指南，幫助評(píng)估精度、噪聲、有效位數(shù) （ENOB）、帶隙和良率7,8.但是，工程師在討論是否需要物理原型時(shí)，必須了解電路仿真的局限性。（注：關(guān)于物理原型的爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了幾十年，這不會(huì)是關(guān)于這個(gè)主題的最終決定。

為了加快仿真（SIM）過(guò)程，工程師通常會(huì)簡(jiǎn)化器件模型。例如，在正?；蛘蚱媚Ｊ较聦?duì)晶體管和其他部件進(jìn)行建模是很常見(jiàn)的。這是合乎邏輯的，因?yàn)檫@些是最常用的模式。我們將研究一種早期的SIM方法，稱為集成電路重點(diǎn)仿真程序（SPICE9），一種模擬電子電路模擬器，于 1970 年代初在加州大學(xué)伯克利分校率先推出。典型的NPN晶體管模型在晶體管正向偏置的情況下工作，作為發(fā)射極跟隨器或增益級(jí)。

線性正向偏置NPN晶體管發(fā)射極跟隨器（圖3A）是在典型的SPICE模型中建模的。圖3B為齊納二極管。當(dāng)基極與發(fā)射極短路時(shí)，晶體管變成齊納二極管，如圖3C所示。SPICE模型可以包括齊納模式嗎？當(dāng)然，但它不是經(jīng)常需要的，因此只會(huì)減慢模擬速度并使模擬復(fù)雜化。這只是加快SIM卡速度的一個(gè)快捷方式。很多時(shí)候，線性模式被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，以至于沒(méi)有指定電源。假設(shè)電源遠(yuǎn)離信號(hào)電壓，因此器件永遠(yuǎn)不會(huì)在非線性模式下工作。工程師需要確保有足夠的動(dòng)力頭部和腳部空間。事實(shí)上，在許多版本的SPICE運(yùn)行之前，需要首先在單獨(dú)的步驟中計(jì)算直流偏置點(diǎn)。這種晶體管模型限制只是仿真和物理原型不同的一個(gè)領(lǐng)域;幾乎所有模型都最小化，以降低復(fù)雜性并減少仿真或運(yùn)行時(shí)間。

圖3.A 表示線性發(fā)射器跟隨器;B是齊納二極管;C是作為齊納二極管連接的晶體管。

此外，有時(shí)數(shù)據(jù)手冊(cè)并不清楚所有參數(shù)。前段時(shí)間，我在一家半導(dǎo)體公司工作，該公司不再在單個(gè)硅襯底上制造分立晶體管。有兩個(gè)PNP和三個(gè)NPN晶體管一起制造，以便它們與溫度匹配和跟蹤良好。就在原型電路布置為PCB之前，一位工程師注意到這兩個(gè)電路不能很好地跟蹤溫度。他決定在IC中使用四個(gè)晶體管。它們被用作兩個(gè)達(dá)林頓連接的發(fā)射器跟隨器。每個(gè)電路使用一個(gè)PNP和一個(gè)NPN。由于它們只是發(fā)射極跟隨器取代分立晶體管發(fā)射極跟隨器，并且時(shí)間緊迫，因此它們沒(méi)有原型。電路板回來(lái)了，事情幾乎可以工作——溫度跟蹤很好，但我們?cè)黾恿司薮蟮牟罘衷鲆婧拖辔徽`差。這是我們第一次看到具有差分增益的發(fā)射極跟隨器，因?yàn)楫?dāng)寄生集電極電容隨集電極電壓變化值時(shí)，通常在共發(fā)射極放大器中看到差分增益。與低頻增益相比，它會(huì)導(dǎo)致高頻增益發(fā)生變化。

發(fā)生此錯(cuò)誤的原因是數(shù)據(jù)手冊(cè)未指定將晶體管與基板隔離的反向偏置二極管是變電容二極管。變差帽10二極管，也稱為“變?nèi)荻O管”或“調(diào)諧二極管”，其電容隨反向偏置二極管兩端的電壓變化。這是一個(gè)物理原型會(huì)揭示的驚喜。因此，教訓(xùn)是在決定不制作原型時(shí)要非常小心。對(duì)于表面貼裝零件（幾乎不可能手工連接原型），創(chuàng)建多個(gè)PCB布局是關(guān)鍵步驟。您的“原型”可能是三種布局中的第一個(gè)，最終的板希望是第三種布局。

結(jié)論

我們中的許多人都很幸運(yùn)，有父母、祖父母和模擬導(dǎo)師提醒我們，在電子產(chǎn)品和生活中，沒(méi)有真正的捷徑。盡管在我們的設(shè)計(jì)中使用四舍五入的數(shù)字、典型規(guī)格和快速仿真很誘人，但我們必須問(wèn)自己，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這些捷徑是否真的可以節(jié)省時(shí)間。數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格和仿真無(wú)法與工程師最寶貴的資產(chǎn)（知識(shí)和判斷）的價(jià)值相媲美。

審核編輯：郭婷