構(gòu)建更佳系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)的秘方――加“香料”SPICE

電路板廠退回錯(cuò)誤百出的設(shè)計(jì)，還有比這更令人沮喪的事嗎?如今，許多設(shè)計(jì)師都面對(duì)巨大壓力，需要在幾個(gè)星期內(nèi)(如果不是幾天的話)制出原型，而且設(shè)計(jì)迭代的空間也十分有限。幸運(yùn)的是，最新設(shè)計(jì)工具憑借一種整體、直觀的電路設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方案，可以大幅提升生產(chǎn)效率。

在初期的規(guī)格設(shè)定階段，許多半導(dǎo)體制造商都會(huì)提供一些工具，以輔助設(shè)計(jì)出魯棒性出色的系統(tǒng)模塊。例如，ADI公司就有一個(gè)在線濾波器設(shè)計(jì)工具，可以引導(dǎo)用戶完成有源濾波器合成過(guò)程，并幫助用戶基于這些規(guī)格參數(shù)選擇推薦的運(yùn)算放大器。該工具可以生成最終設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及物料清單和SPICE網(wǎng)絡(luò)列表。在原型制作前的各個(gè)階段，仿真環(huán)境(比如National Instruments (NI)提供的環(huán)境)可以借助指定器件的宏模型，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化和驗(yàn)證。

圖1：NI Multisim中的20kHz巴特沃茲濾波器

在本文中，我們將考察這種整體式方案如何加快和改進(jìn)往往令人生畏的濾波器設(shè)計(jì)任務(wù)——這是眾多電子應(yīng)用中的一個(gè)通用構(gòu)建模塊。

基本原理

最流行的模擬電流仿真工具是 SPICE(集成電路加重的仿真程序)。SPICE的誕生可以追溯到上世紀(jì)60年代末，當(dāng)時(shí)，加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)出了該工具。SPICE逐漸發(fā)展成為模擬電路仿真的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，至今仍然是世界上使用最為廣泛的電路仿真工具。多年以來(lái)，涌現(xiàn)了更多的仿真算法、器件模型和擴(kuò)展。比如，佐治亞理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了 XSPICE，該工具可以對(duì)器件行為建模，從而加快了固定模式和數(shù)字仿真的速度。NI Multisim環(huán)境同時(shí)支持SPICE 3F5和XSPICE兩類仿真。

但設(shè)計(jì)師為什么要為仿真操心呢?仿真已經(jīng)成為設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)不可或缺的階段，因?yàn)?，它可以讓工程師在制作原型前評(píng)估和驗(yàn)證電路的行為。仿真可以防止設(shè)計(jì)瑕疵通過(guò)設(shè)計(jì)鏈，進(jìn)入成品電路板中，在后一階段，重新設(shè)計(jì)的代價(jià)是極其昂貴的。另外，通過(guò)考察一系列“假設(shè)”場(chǎng)景，設(shè)計(jì)師可以在虛擬環(huán)境中改善其電路的性能，而且不存在任何風(fēng)險(xiǎn)。

圖2：巴特沃茲濾波器的頻率響應(yīng)。

圖3：用虛擬工具考察時(shí)域響應(yīng)

使用電路仿真工具的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是，它可以模擬用于仿真實(shí)際有序器件的宏模型。現(xiàn)代SPICE仿真工具也逐漸采取一種圖形化模式，以其取代基于文本的傳統(tǒng)過(guò)程。例如，NI Multisim集成了超過(guò)17,500個(gè)器件，其中包括大型半導(dǎo)體制造商生成的多種宏模型;在捕捉到電路時(shí)會(huì)自動(dòng)生成基于文本的SPICE網(wǎng)絡(luò)列表，而互動(dòng)式測(cè)量工具(如示波器或函數(shù)生成器)則搭載了仿制其實(shí)際臺(tái)式設(shè)備的顯示器和功能。借助這些圖形擴(kuò)展，設(shè)計(jì)師不再需要掌握SPICE語(yǔ)法，即可獲得仿真的各種優(yōu)勢(shì)。

仿真與濾波器設(shè)計(jì)

濾波器隨處可見(jiàn)——從超聲設(shè)備到起搏器，在這些應(yīng)用中，必須確保只有特定范圍的頻率可以通過(guò)。然而，盡管濾波器是多種電子應(yīng)用的常見(jiàn)構(gòu)建模塊，但濾波器的設(shè)計(jì)卻鮮有人知，而且往往設(shè)計(jì)過(guò)程很痛苦。為什么會(huì)如此復(fù)雜?通常情況下，不擅長(zhǎng)模擬電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師并不是特別了解特定性能需要什么濾波器階數(shù)。濾波器類型有很多種(巴特沃茲、切比雪夫、橢圓等)，針對(duì)各種規(guī)格(如單調(diào)紋波、過(guò)渡區(qū)寬度)進(jìn)行了優(yōu)化。濾波器的設(shè)計(jì)還需要寫復(fù)雜的數(shù)學(xué)等式，以便標(biāo)識(shí)會(huì)改變?yōu)V波器波形的極點(diǎn)/零點(diǎn)位置。另一難題是，理論計(jì)算中假定的完美器件是不存在的;例如，電阻的制造公差會(huì)影響電路的預(yù)期行為。

圖4：用Grapher工具記錄時(shí)域特性

設(shè)計(jì)工具

諸如濾波器向?qū)е惖脑O(shè)計(jì)工具可以大幅簡(jiǎn)化這一復(fù)雜任務(wù)，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭O(shè)計(jì)師了解不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的差異，并就設(shè)計(jì)中使用的器件提出建議，無(wú)需設(shè)計(jì)師了解復(fù)雜的數(shù)學(xué)知識(shí)。借助圖形環(huán)境，設(shè)計(jì)師可以觀察電路在各種器件容差下的運(yùn)行情況。

對(duì)巴特沃茲濾波器設(shè)計(jì)的驗(yàn)證

在我們的例子中，我們將驗(yàn)證有源濾波器的設(shè)計(jì)。該濾波器借助ADI濾波器向?qū)гO(shè)計(jì)而成，集成了ADA4000-2雙通道精密運(yùn)算放大器，之所以選擇這款放大器，是因?yàn)樗谌菪载?fù)載條件下具有較快的壓擺率和突出的穩(wěn)定性，是濾波器設(shè)計(jì)的理想之選。

這款運(yùn)算放大器具有皮安級(jí)偏置電流，可以使用高值電阻來(lái)構(gòu)建低頻濾波器，而無(wú)需擔(dān)憂增加直流誤差的問(wèn)題。另外，R1采用高值可以極大地減少與信號(hào)源電阻的交互問(wèn)題。盡管通過(guò)級(jí)聯(lián)更多模塊可以構(gòu)建出更高階的濾波器，但對(duì)器件值的敏感度以及器件對(duì)頻率響應(yīng)之間的交互效應(yīng)會(huì)大幅增加，這些問(wèn)題降低了這些選擇的吸引力。信號(hào)相位通過(guò)濾波器維持(同相配置)。

濾波器由NI Multisim捕捉到，用于驗(yàn)證和進(jìn)一步分析，如圖1所示。這款低通、4階巴特沃茲濾波器的設(shè)計(jì)截止頻率為20kHz，采用Sallen-Key實(shí)現(xiàn)方式，其具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)超平、器件要求少等特點(diǎn)。

巴特沃茲濾波器在通帶和阻帶中具有單調(diào)性，而且擁有最佳的通帶紋波和較寬的過(guò)渡區(qū)(即通帶與阻帶之間的區(qū)域)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中通常用作抗混疊濾波器。 EVALFLTR-SO-1RZ和EVAL-FLTR-LD-1RZ兩款濾波器板上采用了這種Sallen-Key濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙極點(diǎn)版本，該濾波器板可以從ADI訂購(gòu)。該評(píng)估板的應(yīng)用筆記為AN0991。

在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，必須同時(shí)考慮電路的頻率和時(shí)域響應(yīng)。接下來(lái)，我們來(lái)看看如何通過(guò)NI Multisim驗(yàn)證這些特性：

1. 驗(yàn)證頻率響應(yīng)：圖 2所示為交流分析的結(jié)果。仿真結(jié)果表明，截止頻率(增益下降3dB時(shí)的頻率)為20.1kHz，非常接近我們?cè)O(shè)定的20kHz?？梢钥闯?，在該轉(zhuǎn)折頻率以外，增益會(huì)下降80dB/十倍頻程(濾波器傳遞函數(shù)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)為- 20dB/十倍頻程或-6dB/八倍頻程)。我們還可以觀看到，阻帶不像理想濾波器那樣連續(xù)下降;受運(yùn)算放大器電壓增益損失的影響，增益在1MHz左右開(kāi)始增加。通過(guò)光標(biāo)，我們可以估測(cè)該阻帶在700kHz左右。

2.驗(yàn)證時(shí)域響應(yīng)：我們可以用Multisim中的測(cè)量工具來(lái)考察階躍響應(yīng)。函數(shù)生成器允許我們輸入一個(gè)激勵(lì)值，而示波器則使我們可以觀察輸出波形，都是在原理圖環(huán)境中直接進(jìn)行。這些測(cè)量工具模擬的是真實(shí)的臺(tái)式儀器。例如，借助示波器，可以基于波形特性調(diào)節(jié)時(shí)基、分壓等參數(shù)。借助測(cè)量工具，我們也可以實(shí)時(shí)更改設(shè)置，比如函數(shù)生成器設(shè)定的頻率，這樣，我們就可以觀察，當(dāng)頻率超過(guò)20kHz這個(gè)點(diǎn)時(shí)，信號(hào)會(huì)衰減多少。

我們可以用圖3所示的示波器來(lái)測(cè)量上升時(shí)間、建立時(shí)間等特性，不過(guò)，我們也可以在Grapher中查看這些數(shù)據(jù)，這樣，我們就可以為圖形添加注釋或者將其打印出來(lái)，以便存檔。我們將考察的第一個(gè)特性是上升時(shí)間(定義為：從最終輸出值的10%到90%所經(jīng)過(guò)的時(shí)間);借助光標(biāo)，我們可以將其確定為19.3us。同時(shí)可以看出，建立時(shí)間約為92us。這些特性在圖4所示圖中已經(jīng)標(biāo)注出來(lái)。(注意：參數(shù)TMAX會(huì)影響上升時(shí)間，在本例中，更改了其默認(rèn)值)。

3.考慮最差情況：仿真的另一個(gè)核心優(yōu)勢(shì)在于，它能夠考慮非理想的器件值(即容差)。借助蒙特卡洛分析(通過(guò)在5%的器件容差范圍內(nèi)對(duì)器件值進(jìn)行排列，可以運(yùn)行多個(gè)交流分析)，我們可以看到截止頻率在最差情況下會(huì)受到什么影響。

有些測(cè)量需要比其他測(cè)量更多的后處理。例如，如果重復(fù)執(zhí)行的話，像計(jì)算上升時(shí)間一樣的任務(wù)可能變得十分乏味、冗長(zhǎng)。幸運(yùn)的是，有些工具可以解決這個(gè)問(wèn)題。 NI LabVIEW是一種圖形編程語(yǔ)言，我們可以用它來(lái)創(chuàng)建定制界面，以在Multisim中實(shí)現(xiàn)測(cè)量的可視化和分析。該工具可以根據(jù)輸入和輸出波形，自動(dòng)化計(jì)算濾波器設(shè)計(jì)的上升時(shí)間、斜率、過(guò)沖和欠沖。通過(guò)創(chuàng)建定制工具，設(shè)計(jì)師可以自動(dòng)顯示精確的特性值，而傳統(tǒng)上，這是需要人工后處理的?？梢葬槍?duì)大量應(yīng)用創(chuàng)建定制工具，包括將采集到的真實(shí)測(cè)量值導(dǎo)入NI Multisim之中(這些測(cè)量值含有現(xiàn)實(shí)世界的影響，比如噪聲)，從而實(shí)現(xiàn)更高的仿真精度。

總之，對(duì)如今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，如果想法未經(jīng)驗(yàn)證就付諸實(shí)施，其代價(jià)將過(guò)于高昂。借助現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具，比如ADI濾波器向?qū)Ш蚇I Multisim，設(shè)計(jì)師完全可以消除后顧之憂。工程師可以在原型制作尚未開(kāi)始之前，就驗(yàn)證并改進(jìn)電路行為，從而極大地提高了設(shè)計(jì)效率。最終，使代價(jià)高昂的重新設(shè)計(jì)工作得以減少，上市時(shí)間得以縮短，設(shè)計(jì)性能得以改善。