人类真是非比寻常的‘动物’，有时对于某些领域一知半解、自负和盲目自大比无知更危险──例如在电路设计时，这可能导致电路无法正常工作。当看到有经验的工程师犹豫不决时，某些人觉得自己还不如和没经验的人合作，甚至不明白为什么经验丰富的工程师反而进退两难。这里有三个例子，其中的简单分析能给电路板设计者带来一些启发，使其于未来的设计中避免类似问题。

 

有些情况下，PCB设计人员往往错误理解元件的工作方式，以至于做出一些奇怪的假设，导致元件的错误使用。不幸的是，现在的工程院校几乎都把注意力集中在数位技术，甚至完全忽略了类比设计。缺乏类比设计经验的数位工程师只能从试验、失败中获得类比知识。这样的结果可能会使Rube Goldberg为之得意。谁是Rube Goldberg？他是一位曾经获得普立兹新闻奖(Pulitzer Prize)的漫画家，20世纪早期曾以一些荒诞的发明，将简单功能的机械组合复杂化，并以幽默戏谑的漫画讽刺人们如何将简单的事情极度复杂化而成名。

 

我们来考虑一些在类比工程师眼中非常可怕的情况，通常数位设计错误认知是：未意识到干净的电源和接地对电路设计有多么重要，连接电路时不考虑直流阻抗匹配。忽略实体法则的设计最终会导致系统失效。

 

别被表面现象迷惑

资料手册常常注明：“电源的去藕电容器要尽可能靠近IC的电源接脚放置。”如图1所示的印刷电路板(PCB)，它们确实如此！

 

图1：一个印刷电路板(PCB)布局、IC和电容器。

 

该电路板用于视讯混合讯号，图1所示IC周围还存在其它元件，这些周边元件非常关键。这是一个四层板，讯号链路在最外两层，类比工程师通常将电源和接地分别布设在中间两层。元件包括高频类比/数位转换器(ADC)、数位/类比转换器(DAC)以及讯号处理电路。元件密度适中，没有球闸阵列(BGA)封装，不需要更多层或复杂布板。

 

测试这个设计时，我们发现视讯输出杂讯非常大。而且，大多数杂讯都来自一个IC。图1显示了电路板的顶层图，电源接脚测试到非常大的杂讯。当用一根很细的导线穿过去藕电容器的接地层过孔，连接到电路板的另一侧时，一条接脚(不在内部地层)消失在另一过孔，这将引发一些问题。

 

观察电路布局，突显出我们所感兴趣的节点，并可看到所有连线，如图2所示。

 

图2. 使用PCB设计软体得到的电路布局。

 

这些布线看起来是由数位电路自动布线工具完成的，电路板PCB设计人员可能并不具备类比电路设计经验。没有内部地层和电源层(参考AN4345有关接地技巧与合理布局)。

 

在没有设计经验的人眼里，这个电路完全正确，但是，因为所有地混杂在一起。这种连接对于直流没有问题，但在一定工作频率下，其等效电路上存在较大的寄生成分，如图3所示。

 

图3. 电路中‘地弹杂讯’的示意图。

 

图2中的每个通路和过孔都存在寄生电阻和电感。图3中，把这些分布寄生单元等效成与地串联的低频电感。图中，电感可以看作一个机械螺旋线电感；为方便解释，假设积体电路为运算放大器，但它可以是任何电路。

 

当其它电路的电流改变时，‘接地弹力’符号上方左右两端的数位电路及其它电路的杂讯会使电压上下波动。很多点都直接干扰到类比讯号：

 

1)杂讯通过R1藕合到运算放大器输入。

2)杂讯藕合到运算放大器的接地端。有人可能想借助‘电源抑制比’消除杂讯，但是，不要忘记，接地是其参考电位，这意味着杂讯将直接藕合到输出讯号。

3)杂讯通过R2藕合到运算放大器输入。

4)杂讯通过去藕电容器与R1电阻，藕合到运算放大器输入。

 

注意：电容器是一个双向元件，去藕电容器的作用是对电容器两侧的高频讯号取平均。如果电源汇流排上有杂讯，而接地非常干净，去藕电容器形成到电源的低阻迴路可有效降低杂讯。尽管如此，如果接地是高阻抗并存在很大杂讯，去藕电容器反而会把杂讯加到电源上。

 

如上所示，因为藕合杂讯讯号有相位差，杂讯藕合到运算放大器周围的各个节点，使得输出非常嘈杂。图中抖动所示，所有杂讯都会迭加到输出端。

 

输出也受运算放大器的非线性失真干扰，杂讯分量由此会产生和、差谐分波量，使整个频谱充满杂讯。

 

以上简单阐述良好的电源、接地层布局的重要性，对于没有类比设计经验的工程师，尤其值得注意。