ADI技术指南合集(第一版)电路仿真和PCB设计

ADI技术指南合集第一版电路仿真和PCB设计目录EMI、RFI和屏蔽概念....................................................................1RFI整流原理..................................................................................17低电压逻辑接口.............................................................................27去耦技术..........................................................................................41实现数据转换器的接地并解开“AGND”和“DGND”的谜团.........................................................................55工程经理初次使用Multisim......................................................72微带和带线设计.............................................................................76散热设计基础.................................................................................83模拟电路仿真.................................................................................96试验板和原型制作技术..............................................................111静电放电(ESD)............................................................................126高速逻辑的处理...........................................................................1351Rev.0,01/09,WKPage1of16MT-095指南EMI、RFI和屏蔽概念电磁兼容性(EMC)简介模拟电路性能常常会因附近电气活动产生的高频信号而受到不利影响。此外，内置模拟电路的设备也可能对其外部的系统产生不利影响。参考文献1(第4页)根据IEC-60050定义给出了“电磁兼容性(EMC)”定义：EMC是指器件、整套设备或系统在电磁环境下保持良好性能且不会向该环境中的任何器件、设备或系统引入大量电磁干扰的能力。因此，术语“EMC”描述以下两个方面：1.电气电子系统保持正常工作且不干扰其它系统的能力。2.此类系统在额定电磁环境中按预期工作的能力。因此，完整的EMC保证将会表明：设计中的设备应该既不会产生杂散信号，也不易受带外外部信号(即目标频率范围之外的那些信号)影响。模拟设备多数时候深受后一类EMC问题之害。此部分将重点介绍如何恰当处理这类杂散信号。外部产生的电气活动可能产生噪声，这种噪声称为“电磁干扰(EMI)”或“射频干扰(RFI)”。下面将从电磁干扰和射频干扰两个方面探讨EMI。对模拟设计人员来说，较具挑战性的任务之一就是合理控制设备，防止出现因EMI而造成的不良操作。必须注意，这种情况下，EMI和/或RFI通常都是有害的。一旦进入设备内部，它既能够也会造成设备性能下降，而且通常影响相当大。此部分将着重介绍如何最大程度地减少因收到EMI/RFI信号而导致的不良模拟电路操作。此类不良行为也称为“EMI或RFI敏感度”，指示设备暴露于EMI/RFI时出现异常行为的倾向。当然还有互补EMC问题，即关于杂散“辐射”。不过，与高速逻辑等相比，模拟电路通常较少涉及到脉冲驱动的高速、高电流信号边沿(即产生此类杂散信号的信号边沿)，所以此处并未重点介绍EMC的这一方面。但无论如何，读者应当注意，这点可能很重要，尤其是模拟电路与高速逻辑一起共同构成混合信号环境时。2MT-095EMI/RFInoisesourcescancouplefromanywhereSomecommonsourcesofexternallygeneratednoise:RadioandTVBroadcastsMobileRadioCommunicationsCellularTelephonesVehicularIgnitionLightningUtilityPowerLinesElectricMotorsComputersGarageDoorOpenersTelemetryEquipmentPage2of16由于所有这些EMC设计重点都至关重要，因此强烈建议各位读者补充阅读教程结尾部分的参考文献。实际上，为了实现针对EMI、RFI和EMC周密完善的设计，设计人员需要非常熟悉这些参考文献中的一个或多个(参见参考文献1-6)。这项课题范围极其广阔，现在也变得越来越重要，以下材料仅为其简介。EMI/RFI机制要了解并合理控制EMI和RFI，首先需要将其分离成便于管理的各部分。因此，请记住，当确实出现EMI/RFI问题时，基本上都可以将其分成“来源”、“路径”和“接收器”几部分，这点非常有用。系统设计人员可以直接控制其中的接收器部分，同时还可能控制部分路径。但是，设计人员几乎不可能控制实际来源。EMI噪声源干扰噪声总是可以通过这样或那样的方式耦合至模拟电路，从而破坏电路精度。这样的噪声源有很多，图1列出了其中一些。由于几乎不可能控制这些EMI来源，那么退而求其次，就是发现和了解EMI耦合至设计中设备的可能路径。图1：一些常见的EMI噪声源3MT-095ImpedancemismatchesanddiscontinuitiesCommon-modeimpedancemismatches→DifferentialSignalsCapacitivelyCoupled(ElectricFieldInterference)dV/dt→MutualCapacitance→NoiseCurrent(Example:1V/nsproduces1mA/pF)InductivelyCoupled(MagneticField)di/dt→MutualInductance→NoiseVoltage(Example:1mA/nsproduces1mV/nH)Page3of16EMI耦合路径EMI耦合路径实际上寥寥无几，最常见的三种路径如下：1.因传导而产生的干扰(公共阻抗)2.因容性或感性耦合而产生的干扰(近场干扰)3.电磁辐射(远场干扰)噪声耦合机制只要系统中存在阻抗不匹配或不连续，EMI能量就可能进入系统。一般而言，这种情况发生在接口处(即承载敏感模拟信号的电缆连接到PCB，并通过电源引脚的地方)。电缆连接不当或电源滤波方案不佳通常都是干扰滋生的“完美温床”。当两个或以上的电流共享公共路径(阻抗)时，也可能会产生传导噪声。这种公共路径通常为高阻抗“接地”连接。如果两个电路共享此路径，那么一个电路的噪声电流就会在另一电路中产生噪声电压。这种潜在干扰源可以通过几个步骤来识别(参见参考文献1和2，以及教程MT-031)。图2所示为噪声从外部来源进入电路的一些常见方式。图2：EMI如何进入设备以电介质(空气、真空以及所有固态或液态绝缘体都属于电介质)隔开的任何两条导线之间都存在电容。如果一条导线上的电压发生变化，则另一导线上的电荷就会发生变化，而电介质中将出现位移电流。当电容或dV/dT很高时，就很容易耦合噪声。例如，1V/ns的变化速率会引起1mA/pF的位移电流。如果一个电路中电流流动产生的磁通密度变化耦合至另一电路，则会在第二个电路中引入电动势。这种“互感”是一种非常麻烦的噪声源，其耦合自dI/dT值较大的电路。例如，如果互感为1nH，则电流变化速率为1A/ns时，会引入1V的电动势。4MT-095Common-impedancenoiseDecoupleopamppowerleadsatLFandHFReducecommon-impedanceEliminatesharedpathsTechniquesLowimpedanceelectrolytic(LF)andlocallowinductance(HF)bypassesUsegroundandpowerplanesOptimizesystemdesignPage4of16降低公共阻抗噪声图3中列出了可消除或降低公共阻抗噪声(因传导路径共享阻抗而出现的噪声)的一些步骤。图3：公共阻抗噪声的一些解决方案这些方法应与教程MT-031中介绍的所有相关技术配合使用。给多个电路供电的供电轨就是很好的公共阻抗例子。实际电源可能具有低输出阻抗，也可能不是，尤其是在频率发生变化时。另外，用于配电的PCB走线同时具有感性和阻性，也可能构成接地环路。使用电源层和接地层还可以降低配电阻抗。PCB上的这些专用导体层是连续的(理想情况下如此)，因此实际电阻和电感极低。在某些应用中，低电平信号会遇到高电平公共阻抗噪声，此时不可能防止干扰，而是可能需要改变系统架构。可能需要改变以下几方面：1.以差分形式传输信号2.将信号放大到较高电平，以改善信噪比3.将信号转换为电流以便传输4.将信号直接转换为数字形式近场干扰的感生噪声“串扰”是第二常见的干扰形式。在噪声源附近(即近场)时，干扰不是以电磁波形式传送，而串扰一词可以指代感性或容性耦合信号。5MT-095ReduceLevelofHighdV/dtNoiseSourcesUseProperGroundingSchemesforCableShieldsReduceStrayCapacitanceEqualizeInputLeadLengthsKeepTracesShortUseSignal-GroundSignal-RoutingSchemesUseGroundedConductiveFaradayShieldstoProtectAgainstElectricFieldsCarefulRoutingofWiringUseConductiveScreensforHFMagneticShieldsUseHighPermeabilityShieldsforLFMagneticFields(mu-Metal)ReduceLoopAreaofReceiverTwistedPairWiringPhysicalWirePlacementOrientationofCircuittoInterferenceReduceNoiseSourcesTwistedPairWiringDrivenShieldsPage5of16图4：降低电容耦合噪声的方法降低容性耦合噪声容性耦合噪声可以通过减少耦合电容(方法是增加导线间距)来降低，但最简单的解决方法是采用屏蔽。通过在信号源和受影响节点之间放置导电且接地的屏蔽体(称为“法拉第屏蔽体”)，可将位移电流直接路由至地，从而消除这种噪声。使用此类屏蔽体时，值得注意的是，法拉第屏蔽体必须接地，这点非常重要。屏蔽体浮动或开路无一例外都会导致容性耦合噪声增加。如需简单回顾这种屏蔽方法，请参见本文结尾部分的参考文献2和3。图4汇总了消除电容耦合干扰的方法。降低磁耦合噪声图5汇总了消除磁场导致干扰的方法。图5：降低磁耦合噪声的方法6MT-095Vn=2πfBAcosθ×10–8V公式1Page6of16为了说明磁耦合噪声的影响，假设闭环面积为Acm2的电路在通量密度均方根值为B(高斯)的磁场内工作。那