标签: 模拟技术

两年的大学电子专业的学习，让我对模拟技术有了很强烈的兴趣，正好大二这年赶上TI杯电子设计竞赛省赛，从学期中的校赛开始，电设就成为了生活学习的一个重要主题。经过了一个星期的校赛，又经过了两周的省赛培训和四天三夜的省赛，我在模拟方面的认知又增加了不少。 校赛的时候是做一个 放大器下限截止频率不高于 10Hz， 上限截止频率不小于 5MHz =40dB/dec，带50ohm的负载。 乍一看刚开始觉得这个题也没什么，当时看了一些电赛的设计报告，手里也申了几款高频运放，感觉大概就是三级放大，方案大家都差不多，就是OPA847,VCA810,THS3091之类的。当时第一天发下题就开始做，先定方案，后来又去电子商城买东西，电源模块在校赛之前就已经准备好了，用的LT3080和LT3015做的大功率电源（其实也就1A多的电流），用LT1962和ADP7182做的小功率低噪声电源，分立供电，既满足后端驱动能力要求，又减小串扰，降低电源噪声的影响。接着就开始仿真，仿真的时候就出现了第一个问题，发现VCA810的输出波形的峰峰值达不到手册给的数值，幅度甚至不到1v就失真了，后来看了好久，发现手册写的是当Vc电压为-2V，也就是放大倍数最大的时候最大摆幅才能达到最大值。当时觉得好坑啊，但其实还是看手册太不仔细了。接着开始在洞洞板上面焊接，要说VCA810这个芯片用起来确实感觉不太方便，压控增益的脚还是负压输入，因为手头没有能输出负电压的DA，就又用了OPA运放来把电压反向。电路走线方面当时我们还非常没有经验，现在看来当时的走线好多都是图省事，地线，去耦等做得都很不好，而且在洞洞板上焊也真是麻烦还容易出错，我的组员负责焊接，第一块810焊出来怎么都不出波形（用面包板搭出来都有波形！！），这个问题一拖就是两天，转眼就到第三天了，当时还一个模块都出不来，对面一个组，实力很强劲，进度比我们快很多，当时心里那个万念俱灰，那个心急如焚。直到第三天，事情突然出现转机，组员重新焊了一块810的板子（因为心情急躁，这中间还发生了不少不和谐的小插曲），学长又拿出来一个SMA转BNC的线给我们用，（之前我们只知道用SMA和同轴电缆做级联），瞬间让测量变得可靠了很多，终于第一块模块VCA810出来了！！！ 然后也是在同一天，OPA847也焊出来了，第一块是洞洞板，后来院里的老师拿来了几块往年剩下的4层板，就索性直接用了空投板。但是在测试的时候发现一个很奇怪的问题，用示波器探头和SMA转BNC的线在频率上M之后测出来显示的波形幅度竟然不一样，甚至幅度差别很大，几乎是2倍，我们以为探头测的一定是准的（因为觉得它有内部的补偿），所以就放弃了SMA转BNC，然后一直用探头测量，又发现高频的时候信号源出来的波形幅度也比设置的小，频率越高越小。当时我们还以为信号源性能太差导致的（现在想想真的好愚钝），就一直测输入测输出来计算放大倍数（真的好麻烦，直到后来培训的时候才知道用探头测量是不对的，会有衰减，就是应该用同轴电缆来测量才可以，尤其是频率再高的情况下）。 接着是THS3091，这个芯片是真的让人崩溃，它有带散热焊盘的封装，可是一是我们用的洞洞板加转接板，散热盘丝毫不能发挥效果，其次我们第一次申请的时候也没有想到这个芯片会这么热，就没有申请带散热盘的。这个芯片是怎么样的呢。电流反馈型，优点带宽宽，输出电流相对大一些，压摆也很大，但是（划重点）首先它电压加高了之后就会发热（最大可以加到+-15）即便是不带载的时候！！！其次是电流反馈型的总是很难把握，有时候就不太稳定（后来才知道电压反馈型运放可以通过加反馈电容来提高稳定性，但是电流反馈型运放是不可以的！！！反而会产生自激），又是洞洞板操作，那个寄生参数真的是（当然大神驾驭这种洞洞板上M还是轻轻松松的）。。。而且由于有输出幅度和负载要求，一片3091的输出电流不太能满足要求，可是我们有没有别的芯片可以替代（对面组用了一个BUF），我就把3091并联起来。刚开始用的手册直接并联的方法（加了100ohm的平衡电阻），结果。。单独测都是10倍放大，并起来发现只有2倍了。。。于是又换了一种前级放大后级跟随的并联扩流模式，这次放大倍数是正常了，但是其实还是有一些奇怪的现象，现在还不清楚是不是这种并联方式由于两个3091的信号有先后的延迟导致的问题（比如频率高了之后信号严重失真，类似信号完整性问题）。 然后还需要一个测量幅度的模块，手上有AD637和AD8361，刚开始感觉AD637上M有些吃力，所以用了AD8361，结果半天都搞不定（让我对RF芯片产生很大阴影），因为直接测量的电压幅度远远超过它的可以输入的电压幅度，需要分压，问题就出在这个分压上了，当时发现就是幅度很小（用的Kohm电阻分压），怎么都不知道是为什么，又试图通过用运放搭建比例器来分压，结果上电就过载？！没办法最后换了AD637（还受到了对面大佬组的帮助，用了现成的，他们找到了调节的方法）。后来想起来AD8361的输入电阻很小，和运放不一样，所以分压之后再以并联，分的的电压及很小，用运放的话就是负载太小导致电流大了。。 最闹心的就是带外衰减还要求截止频率可调！！至今我还不知道这个的理想方案是什么，要求3M以上截止频率，还可调？？当时在ADI上找滤波器，截止频率这么高的都是不可调的，截止点可调的都没这么高，然后当时看到VCA810的手册有个这个图（上边），然后我就灵机一动做了下边这个图，满足了2阶的要求， 当时感觉很妙啊，仿真很完美，结果这个电路，焊了3天两块板子都没有焊出来，疯狂自激（现在看来可能还有原因是OPA847单位增益不稳定，当时居然没有注意这点！！），还烧坏了两个芯片，最后验收前一天晚上，没有办法改用无源滤波器用继电器切换，当时找到一份报告上有一个hourglass滤波器（挠头），截止频率10M和5M，就直接抄了下来，但是最致命的是这个滤波器通带1/2衰减，但是觉得没什么，后来是真的后悔。 最后验收是周日，这一周基本上课的时候都在睡觉，有的就直接翘掉了，因为每天晚上都很晚，真的困啊。从周五到最后验收完就没有回过宿舍，周五晚上在实验室睡了一会，周六晚上基本没合眼。但是我们依旧还是直到周六晚上才进行级联（没错真的是周六晚上才开始级联），结果级联之后什么问题都出来了。。不知道在哪一级就提前出现削顶了，最后输出峰峰值好像才4v多（尤其是那个1/2衰减的滤波器更是“锦上添花”）。当时还不理解阻抗匹配的意义，于是每一级都加了阻抗匹配，导致增益就更小了，可能也更容易削顶了（现在看来那个频率根本没有必要加那个50ohm，而且洞洞板焊接又没有微带线的效果哪来的特征阻抗。。。）。最可怕的是最后3091，之前试的时候一直加的5V电压，最后因为输出幅度要求加了+-12v，芯片巨热，而且过一会波形就乱了（我现在依旧不知道为什么，怀疑芯片已经烧坏了，按道理应该供电越高性能越好啊）。当时没经验，加了个小散热片，很小的那种，后来做的多了才知道就应该能加多大加多大，再用小风扇吹着。然后当时还尝试用LT1210来扩流，结果不知道为什么波形很差，当时那种两天没睡觉的状态和下午就要验收的心态已经决定了不可能再理性的分析思考了。最后没有办法，把3091的供电电压降到+-7v，才保证了不会出现波形乱掉的问题，芯片也不会特别烫，但是输出幅度肯定是达不到要求的了。最后还要交个报告，需要填数据，当时哪里还有时间测啊，脑子已经乱掉了，而且写单片机的同学还要找到810压控的电压和整体增益的那个关系（因为要求增益可控，而且还要固定步进），当时就是胡乱测一通（包括用示波器探头测有衰减，所以输入输出都要测也带来了很大的难度和不必要的麻烦，可是当时不知道啊）。这里真的是要表扬一下我们组写单片机的同学，稳！而且时刻都感觉精力很好。后来也是，任务交给这位同学就很放心，他总能把程序成功跑出来的！当时他费劲心思把那个关系找出来，但其实也只是找了个大概，因为测量的数据的精度和数量根本不足以找到一个比较精确的关系，还是后来老师验收的时候也没有怎么仔细算，而且老师也认识那个同学，感觉也是网开一面。最后的最后，就是总算验收完了，老师当时还告诉我们准备暑假培训，意思就是可以过了，但其实当时真的是觉得做的挺差的，上午那会整个人真的已经有点绝望了。 最后从实验室收了好几箱东西回宿舍，走在路上好几次把眼睛都闭上了，又猛的一下醒过来，回去收拾完本来想做点别的，觉得好困就上床躺了一会，结果再醒过来居然已经是第二天早上九点了。后面那一周，基本也没有一节课是清醒的。 接下来再写一写之后培训和省赛的事情，还有暑假在家做D类功放的经历，写这篇博客时间这么久，该去干点正事了。 【博客大赛】TI杯电子设计大赛后记之二

清明节假期间看到TI收购国家半导体（NSC）的新闻，让我想起了在1993年国家半导体将其150mm的晶圆厂出售，成立Tower半导体的那桩买卖。那桩买 卖，使得Tower的晶圆制造工厂在1994年成为第三方独立代工的产能，这部分产能主要就是NSC模拟和电源IC的产能。后来Tower增加了 CMOS、模合信号技术的技术，在2001年开发出0.18mm甚至更高工艺的CMOS技术。 事隔15年，Tower在2008年收购了Jazz 半导体（前科胜讯/Conexan的晶圆厂），成立了Towerjazz半导体。目前主要为CMOS、Power、RF、SiGe、CIS、MEMS、 RFID产品线代工。据资料显示，有TowerJazz在模拟特色晶圆代工领域排名第一位，这其中得归功一部分于1993年国家半导体当时的模拟设计与代 工技术。 18年后，国家半导体（NSC）终于再一次走上出售的道路，一代模拟技术的领导者将其所有的资产变成现金，当然是可观的现金，总 额65亿美金。模拟工艺和技术的价值是难以估计的，这种工艺技术的传承，一方面是给TI本身带来产能和某些技术的提升，另一方面是不给竞争对手获得这些技 术的机会。 日前TowerJazz正式启动了中国大陆地区的业务，打算将其高端有特色的模拟和混合信号技术如SiGe、MEMS和 Power推广到中国大陆的本土IC设计市场。算起来从1993年国家半导体出售其晶圆厂开始，再到2011年4月5日国家半导体宣布整体出售给德州仪 器，一个写满了美国半导体历史故事的传奇，终于划上了一个令人叹惜的句号。 18年前出售自己的一个晶圆厂，充其量只是一个小小的插曲。国家半导体真正出售自己的原因是什么，哪位高人来告诉我？

没有必要把所有简单技术说复杂了，只是对细节的把握要更给予关注，十分感谢师傅当年让我学会用分立件搭个7805给他看看的想法。最近在设计大功率线性恒流恒压实验设备，领教了老师傅用大功率IGBT做调整管的设计水平，自己在电压电流环的采样提出了自己的想法，总算结束了，留下的是一打经验教训。 IGBT越来越便宜，喜欢设计大功率线性电源的师傅越来越少，希望自己过去的设计失误不再被别人重复。第一个图是电源主功率回路结构，选了便宜的IGBT作为调整管，由于IGBT的频响特性集中在几十K级，作为执行部件不是很快，所以整个控制环路中如果需要“快环”时应尽可能减少环路上的滞后环节选择，需要“慢环”控制的以稳定为前提，例如此系统中电流环一般都是慢环，呈现的控制的选择则是以弱积分加合适的比例作为设计原则。 而作为控制器组成的运放在频率特性方面要和执行器件IGBT之间的默契组合能让你完成性能价格比的最佳，用不到大马拉小车，也不要小马拉大车，综合考虑到系统稳定性等因素上图中的设计所选择的控制运放也就是比OP177类快点的即可，输出执行回路的不怕糙，LM258的双极运放皮实耐用，要比其他MOS类运放更适合于做执行部件的组成部分。   在输出上别忘了加上一级推挽提高驱动能力，可能有人说IGBT驱动不需要电流也行，实际不然，留着驱动没亏吃。图中R70,R71分压的作用实际是防止前端一旦失控12V电压直接加在IGBT驱动上导致IGBT全通，正常工作时IGBT驱动电压应该控制在线性区内，R70,R71实际也是一种保险手段。 上图中我在D20处的红叉处加入RC环节即可把电流环变成慢环，同样将C53加大也会有慢环的效果，但总体上个人感觉效果不如加RC在D20前好,也在琢磨区别。电压环上的许多电容实际上都是不焊接的，在系统发生不稳定时调整用。控制环上的参数调整尽量预留些空间，毕竟在几十毫安到几十安上要达到大范围的恒流，几伏到六十伏内恒压要达到很好的水平不是一套参数能够解决的，这也是为什么看到高砂的电源中控制环参数多样化的原因，实际上就是改变运放反馈臂上的电阻电容参数，而切换这些参数所用的方法尽量不要用模拟开关而是用微型继电器触点解决，尤其涉及积分回路的切换这方面还是要有所讲究。   图中的C56,C57对于系统来说不是什么好东西，在实验中曾经引起振荡，它们的存在影响了整个控制环的响应速度，在这个系统中电压环尽量稳快，电流环尽量稳定是目标，所以在策略中C56,C57是削弱这个的快，恒压时容易引起滞后类型的振荡。 除了图中所示的控制环中的结构问题引起振荡外，电压电流反馈环的中的环节滞后进而引起振荡有时也要通过通过调整控制环路参数和策略予以克服，但由于PI所能达到的控制能力有限，起到作用自然有限，合理利用控制策略加上合理的反馈通道设计时达到好性能的关键之一，系统自然也遵守着前向通道的飘是可以克服的而反馈通道上的漂移和不稳定则是最难解决的，不管你是什么控制类型。 这不一定完全合理和正确的想法，欢迎大家讨论。

忙于手头的控制检测系统的开发，也没时间更新blog了。由于没有合适人只能自己再次连程序代码自己也要写，自己即将完成的书初稿也不得不停下来，争取更多的时间把系统建立好。 为了鼓励自己，除了每天给自己买几听好啤酒外没有更多的奢求，结果喝完酒发现自己写的书有点像胡说，越看越不敢看了，自己正在琢磨有什么东西能激励我多写点，多看一些书。要不哪天买个什么礼物给自己，好像作用不会太大，这个年龄了，物质诱惑看来不是很起作用。以下是我写的目录，内容已经完成七层比例。 第一章   电源设计到位要注意的―――固本 第二章  不管什么滤波器，我要的是信号―――清源 第三章  对当下普通模拟电路应用设计风气需一方―――理气和中 第四章  看待自己嵌入系统中的模拟设计和数字设计关系―――平衡阴阳 第五章   重新审视自己过去的设计―――五行相生相克 当然这只是个初步的东西，还要砍掉很多，有的啰嗦不应该写上，我甚至只想写两百多页，去学校印成讲义也就十元八元一本，正在做自己的梦，哈哈。 说实话，自己就是按这上面这个路设计系统，依然会有犯错误的时候，而且连自己都都无法理解自己的失误，仅以近日设计的ADS1232和DAC8552系统为例，共用一个SCLK线导致整个ADS1232工作情况混乱，对待△-∑更是不适合一个程序循环采样一次，如果连续采样几次则造成每圈的采样时间过长，对于控制系统没什么好处，在确保ADS1232交替采样两个通道的时候也要面临“设定时间”和“过冲”的问题，原因是AD1232的模拟输入运放也不是很好玩，当然用一个通道没问题。另外更让人不能忽视的就是AD1232上升沿数据有效，DAC8552则下降沿数据有效，看似没有矛盾的共用却是无意间捅了这个蜂窝，原因是没看清楚ADS1232没有CS脚，只有POWNDOWN高电平ADS1232才能进行正常采样……仅仅简单的细节足以让人忽视，而后后悔。 看来细节真的决定设计，在系统没有成功之前别高兴太早。如果系统中也要用这两个器件而且共用SCLK线，且慎重，想要提高ADS1232速度别忘了如下这个图: 甚至在将来设计外扩SPI类器件时最不该忽视的就是SCLK，CS之类的问题，在充分考虑固本，清源之后别忘记的问题。项目还在进行，看来书稿还要等一段才能完成，什么时候能够像国外宅男那样有时间坐在自己的实验室里做想做的事情，安静写点东西，用面包板或画块板搭电路做实验，然后记录下自己的成功与失败，最后总结出来，贴出来。

一直有人说“一年数字，十年模拟。”。大致意思我猜是说：数字技术相对而言比较简单易懂，而模拟技术是非常深奥难以掌握的。我觉得即便这句话并非“空穴来风”，模拟电子技术也不可能离开那些非常基础的东西而成为美丽、高不可攀的“空中楼阁”。所以说，模拟电子技术的“深不可测”并不应该成为我们畏惧它的原因，相反，我们应该尽量把基础知识打扎实，迎难而上，去体会“模拟技术是一种艺术”！ （1）输入失调电压（Input offset voltage——Vio）： 定义：Vio是使输出电压为零时在运放输入端所加的一个补偿电压。 实际上，由于运放的输入级电路参数不可能绝对对称，所以当输入电压为零时，输出电压并不为零。内部两个差分晶体管的微小差异，通过A倍放大后，即可产生一个不容忽视的输出电压。下图是由输入偏移电压产生的一种极端情况（这个图已把问题说得简单、明了，我就不多说了）， tu2 由此可见，输入偏移电压有时可能使得运放输出级的工作状态进入非线性区。So，要想使运放工作在线性区的话，我们就不得不事先对运放进行调零的操作了！——进行人为地输入一个补偿电压。如下图所示： （2）输入失调电流（Input Offset Current——Iio）：   碎碎念：对于FET运算放大器来说，由于其输入电阻是“出了名”的极大，以致该类运放的输入失调电流一般是极小的，不至于在运放的输入端产生额外严重的补偿电压。However，反观双极性运算放大器，其输入失调电流在多处情况下是令人无法忍受的，一个有效的处理办法是：尽量使得运放的同相与反相两端保持良好的对称状态，以减小输入失调电流。 （3）负反馈（Negative Feedback）： 由于运放一般具有极大的开环电压增益，所以两个输入端即便是只有很小的电压差，运放的输出级也有可能轻易到达饱和区域。由此，运放几乎只能用于比较器应用了。但是，当引入负反馈后，运放就变成一种非常有用的器件了。引入负反馈能够给放大器的性能带来多方面的改善，比如可以稳定放大倍数、改变输入电阻和输出电阻、展宽频带、减小非线性失真等，考虑到博文的篇幅，留待后文再针对这些情况作专门的分析和讨论。 可见，当电路引入深度负反馈后（即F非常大），放大倍数几乎仅仅决定于反馈网络。 由此可以体会到：负反馈其实就是指放大器的输出信号通过反馈网络连接到其反相输入端，使得放大倍数得到控制，以此来防止运放输出饱和，从而很好地工作在线性状态。 （4）总谐波失真系数（Total Harmonics Distortion）：   （5）整流后输出电压的纹波系数（Ripple Ratio）：   （6）接地（Ground）： 对于一个特定的电子电路系统来说，如果没有一个完整的回路，那么也就无所谓电流这个“名字”了！换句话说，只要我们称某个参数为电流时，就必定意味着存在一个完整的回路。上半年看了一本关于信号完整性的书籍（作者：Eric Bogatin），记得里面有一句话说（书现在不在我手上，只记得大意），“把‘接地’这一术语忘掉，每一路信号都会有返回路径。抓住 ‘返回路径’，像对待信号路径一样去寻找并仔细处理返回路径，这样有助于培养解决问题的直观能力。” 我是受益匪浅！ 从信号完整性的角度来说，我们口头常说的“地”本质上其实就是指信号的“返回路径”，Unfortunately，很多人仍然认为电子电路系统中的“地”就是指我们脚下的大地！如果这样的话，那么“嫦娥”卫星上电路系统的接地问题怎么解决？嘿嘿，， 碎碎念：一般模拟电路系统或者数字电路系统中，主要有两类电源：正电源和负电源。电路中信号一般以其中的一个电源为参考电位，我们称之为GND。 （a）对于CMOS和TTL逻辑电路而言，信号以负电源为GND； （b）对于ECL逻辑电路而言，信号以正电源为GND； 信号链知识中当然还有其他很多重要的基本概念，这里我只是挑选了其中几个比较关键的基本概念作了一下Brief Introduction，本文中的每一个概念也可以衍生出更多的内容，在这里就不展开分析、讨论了。我今后的博文将会继续对信号链基础知识中的一些原理性的东西做更加详细的分析和讨论，对这方面有兴趣的博友，请关注后文（借此我将逐步提高我的博文质量）。 后注：欢迎博友在博客中留下宝贵的评论，我将尽心、认真地回复。