經(jīng)常翻閱各種電子行業(yè)的平面媒體，每每看見Analog Device公司的廣告，在廣告畫面的下方，都會有這么一個廣告詞“Analog is everywhere”(見圖1.1)。翻譯成中文，就是本文的標題“模擬，無處不在”。
我想，Analog Device公司想通過這個廣告詞想表達這樣幾層意思： 1.1 任何電路都會有可能用到模擬器件 我雖然和Analog Device沒有任何利害關(guān)系。但是憑良心說，電子行業(yè)混了十幾年，自己也感覺Analog Device公司的模擬產(chǎn)品的質(zhì)量還是拿得出手的。他通過這個廣告詞來強化“Analog Device”商標在電子行業(yè)的品牌效應(yīng)。 任何電路都會有可能用到模擬器件，這句話換一種說法，就是：“這個世界沒有100%的全數(shù)字產(chǎn)品”。任何電子產(chǎn)品都會有模擬電路的部分，都有可能用到工作在線性狀態(tài)的模擬器件。比如表1.1所列的電子產(chǎn)品： MP3、MP4 公認的數(shù)字產(chǎn)品 但是至少他的audio部分是模擬的。MP4的TFT屏幕對外接口雖然也是數(shù)字的。但是顯示出華麗的色彩，那些色彩就是由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換而來的模擬信號。 收音機、CRT電視 不用說，傳統(tǒng)的模擬電子產(chǎn)品。相信不會有人說他是數(shù)字的。 平板電視 信號部分一般都是數(shù)字信號處理的。但是其前端高頻頭是模擬的、伴音輸出是模擬的、TFT屏幕最后還原出來的彩色信號也是模擬的。 光驅(qū)、硬盤 無論是SATA接口還是IDE接口，在其前端讀取數(shù)據(jù)的部分，都是模擬的。 光驅(qū)靠激光頭還原出微小的光盤反射信號，放大后經(jīng)過處理得到光盤上的數(shù)據(jù)；硬盤靠磁阻磁頭還原出微小的磁信號，放大后經(jīng)過處理得到磁盤上的數(shù)據(jù)；SATA接口是一種電流型的串行接口，在數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端也都需要工作在線性狀態(tài)的模擬器件，否則就不能傳送高速的數(shù)字信號了。 硬盤上的信號也是模擬儲存的，硬盤上面的磁阻磁頭在放大信號后，經(jīng)過一個判別電路，電平大于某個數(shù)值的判斷為1、小于某個數(shù)值的判斷為0。光盤上的0-1-0-1-0-1-0-1信號，在光盤上雖然是一一個個細小的坑洞來表示，看似“很數(shù)字很數(shù)字”。可是由于光盤反射層的反射率有大有小、激光頭的功率有大有小、盤面距離激光頭的距離還會有微小的瞬時抖動，實際上激光頭讀出來的信號仍然是可大可小的模擬信號。需要經(jīng)過信號自動增益控制電路，穩(wěn)定信號的幅度。然后解調(diào)才得到數(shù)字信號。 手機 中間的信號都是數(shù)字的，前端的射頻信號處理和后端的聲音還原都是模擬的。從我看過的NOKIA的N7x系列手機電路圖和MTK山寨機的手機電路圖來看，他們后端的音頻功率放大器為了省電，全部使用PWM調(diào)制，做成很節(jié)能的D類放大器，將音頻信號重放出來。這也是一種形式的D/A轉(zhuǎn)換。 以太網(wǎng)交換機 以太網(wǎng)芯片都有一個模擬前端，工作于線性狀態(tài)。還有一個以太網(wǎng)變壓器，上面?zhèn)鬟f的其實也是模擬的電流環(huán)信號。數(shù)字信號經(jīng)過模擬編碼后，通過電路板上的以太網(wǎng)變壓器傳送。 以太網(wǎng)前端還要考慮變壓器和線纜之間的阻抗匹配。這些都是模擬電路里面經(jīng)常要考慮的東西。 U盤 USB口看似一個數(shù)字接口，其實他和以太網(wǎng)一樣，前端也是模擬的電流環(huán)信號。USB口有4根線，分別是+5V、GND、DATA+、DATA—。其中DATA+、DATA— 構(gòu)成了一個模擬的電流環(huán)信號。 臺式機CPU CPU處理的都是數(shù)字信號，但是隨著CPU工作頻率越來越高，其設(shè)計也越來越講究。最早的CPU其地址總線、數(shù)據(jù)總線都是一個個的TTL信號。但是隨著CPU工作頻率的升高，這種方式變得很不穩(wěn)定[U1] 。而改進的措施，都是基于模擬技術(shù)而改進的。正是由于這些模擬技術(shù)的存在，才讓這些信號傳輸又穩(wěn)定、又高速。 隨著CPU工作電壓的下降，電源的噪聲和半導(dǎo)體材料的噪聲對CPU的干擾越來越明顯，為此CPU內(nèi)部的信號傳輸都作了很多變化。而無論是高頻的無線電發(fā)射電路，還是高頻的CPU電路，設(shè)計的過程都很類似。 表1.1 1.2 凡是電路，其實都是模擬電路。 我做了這些年的設(shè)計，慢慢有些感悟。其中一個感悟就是：“這個世界其實沒有數(shù)字電路，所有的電路都是模擬的。數(shù)字電路只是模擬電路的特殊形式，正如同正方形是矩形的特殊形式、圓形是橢圓的特殊形式一樣。”或者更簡單的說：“數(shù)字電路是模擬電路的一個子集。” 這兩句話可能會比較難以理解，首先我們來理解“正如同正方形是矩形的特殊形式、圓形是橢圓的特殊形式一樣”這句話。回頭翻閱一下幾何書，書上說：一個矩形，如果他的長度和寬度一樣，那它就是正方形。所以正方形是矩形的特殊形式；一個橢圓，其長軸和短軸的長度相等，那它就是一個圓形。所以圓形是橢圓的特殊形式。 數(shù)字電路是模擬電路的特殊形式，就比較難理解了。 為了說明這個問題，我找了一個TTL集成電路74HC08的規(guī)格書，相信沒有誰會否認這個IC是數(shù)字電路吧？圖1.2是這個IC的直流參數(shù)表。其中一項VIH（高電平輸入電壓值）。它有最大、最小和典型值三個數(shù)據(jù)。在不同的電壓下其數(shù)據(jù)還不一樣。比如IC供電電壓VCC=6V的時候，最小值=4.2、典型值=3.2。就是說，要讓這個IC認為輸入的信號是高電平，一般要求輸入電壓要達到3.2V，在最壞的情況下，也要達到4.2V。達到4.2V他絕對就可以100%認可你的輸入電平為高電平。 同樣的道理IC供電電壓VCC=6V的時候，VIL（低電平輸入電壓）至少要小于2.8V。 那問題就來了，在2.8V和3.2V之間的輸入電壓，算0，還是算1？答案是：這個IC會隨機的認為這是0，或者是1。
把以上問題圖示成圖 1.3，就可以更好的說明問題。 l 如果你要讓IC的輸出和你的輸入百發(fā)百中確定的相關(guān)，你就要把你的輸入電壓控制在A和E的范圍內(nèi)， l B和D的范圍也許可以穩(wěn)定工作，但是未必能夠100%保證可靠，也許不可靠的概率可能有10%，也可能只有1%，比較難發(fā)現(xiàn)。但是你的電路就埋下了一個爆炸時間為未知數(shù)的炸彈。 l 如果你不幸把輸入電壓放在了C的范圍內(nèi)，這個時候這個IC就判斷不清除你輸入的電壓是0還是1，所以在這種情況下，出現(xiàn)問題的概率非常大，也許你的電路立即就會死得很難看。
把以上問題用如圖1.4所示的坐標圖表示，更容易理解了：
看明白了吧！即使是數(shù)字電路，他的輸入輸出其實也是和電壓的大小強弱密切相關(guān)的，多一點少一點都可以造成不同的結(jié)果。 傳遞數(shù)字信號，比如在遠距離和高吞吐量的數(shù)字傳輸方面，也經(jīng)常用模擬技術(shù)來傳遞我們平常所說的“數(shù)字信號”。這個方面最好的例子，就是電流環(huán)的RS485信號。 大家都知道RS232接口的信號不能傳遞很遠，而RS485接口的信號就可以輕輕松松的把信號傳遞到3～4公里外。RS232信號之所以不能傳遠，就是因為它將0-1-0-1的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成了+10V、-10V的電壓，用電壓通過電纜進行傳送。這些電壓在信號的發(fā)送端都可以做的很好，但是結(jié)果電纜之后，由于電纜的分布電容、分布電感、空間的干擾、信號的振鈴和反射等因素，到電纜的對端接收后，信號都會有所變形。而且電纜越長變形越嚴重。 為了解決這個問題，人們使用了電流環(huán)差分信號來傳送數(shù)字信號。
圖 1.5是我們常用的MAX485芯片的信號傳輸?shù)刃D，左邊的驅(qū)動器D是用于發(fā)送的，右邊的接收器R是用于接收的。2個100pF電容用于模擬信號電纜的分布電容。54Ω的電阻是信號匹配電阻。 發(fā)送器的輸入TTL IN就是圖 1.6里面的DI，RECEIVER OUT就是圖1. 6里面的RO。圖 1.6里面的Vy-Vz是發(fā)送器的Z輸出和Y輸出之間的電壓差。這里可以看見，它有點像一個鋸齒波，而且擺幅也在±1V之間，已經(jīng)是公認的模擬信號了。在圖 1.7可以看見在接收端的A、B端點之間，只需要電壓差的絕對值大過0.2V接收器就可以接收了，這也說明，IC內(nèi)部其實是有模擬電路的，起碼，他需要將0.2V的信號放大到2~3V的水平。 從這里，可以看見在傳輸路徑中，經(jīng)過了2次信號變換，他們分別是：“數(shù)字信號”→差分模擬信號→“數(shù)字信號”，而在線纜上傳送的只是差分模擬信號。 使用以上方法，可以大幅度減少噪聲對電纜的干擾。也可以最大限度的弱化電纜直流電阻、分布電容和分布電感的影響。這就是為什么RS485的傳輸距離遠遠高過RS232接口的緣故。 類似的原理，電流環(huán)還應(yīng)用在LVDS傳輸接口、1394總線、以太網(wǎng)接口、SATA硬盤傳輸線、USB傳輸線上。大家使用的LCD電腦監(jiān)視器，它的LCD屏幕的信號電纜也是用這個原理傳輸?shù)模砸粋�小小的電纜可以輕松傳送監(jiān)視器那樣的高帶寬信號。
本書中還有一個文章《搞定噪聲》里面的章節(jié)“注意你的高速數(shù)字信號”，如果您能理解這個文章所陳述的思想，你就會發(fā)現(xiàn)，傳送高頻率的數(shù)字信號其實很麻煩，不僅有傳輸距離的限制，還會有振鈴、反射等一大堆的問題。這些問題都是模擬電路中才有的問題。而要傳輸好這些高頻率的數(shù)字信號，有且僅有使用模擬的這些解決之道才能搞定。 與文章《搞定噪聲》里面的章節(jié)“注意你的高速數(shù)字信號”的原理類似，你可以拔一條計算機的內(nèi)存條出來看看，上面除了內(nèi)存顆粒，還有很多貼片的電阻，而且大都靠近連接器的位置，這些基本都是降低振鈴、反射等問題用的（見圖1.8）。
所以，設(shè)計一個計算機主板，其實是一個很有技術(shù)含量的事情。市場方面有成本壓著，不能隨便使用高檔材料，技術(shù)上，CPU系統(tǒng)的工作頻率不斷升級，電路的布線難度越來越高，還要考慮散熱、電磁兼容等一大堆的問題。所以雖然很多人認為設(shè)計電路板是個簡單勞動。可是設(shè)計主板的工程師絕對不會是菜鳥。 推而廣之 剛參加工作的時候，經(jīng)常騎自行車，由于有自己動手的習慣，喜歡動手自己維修自行車。記得當時把前輪拆下來修理后，以為自行車沒什么大不了的，就隨隨便便的把前輪裝上去。雖然也能騎，卻騎得很不舒服。后來拿到維修店請師傅看，才知道，車輪在安裝的時候，車輪和主支架有夾角。所以車輪轉(zhuǎn)動后就不平衡了，輪胎會左右晃動。維修店的師傅又把它拆下來，仔仔細細地慢慢調(diào)正，前輪的主軸螺絲被一點點一點點地調(diào)緊，一邊調(diào)整還要一邊不時地轉(zhuǎn)動輪子，看看輪子轉(zhuǎn)動后的動態(tài)平衡狀況。之后自行車才有了比較好的使用感覺。 比較類似的，還有自行車的鏈條。調(diào)緊了，騎的時候很費力（傳動效率低），鏈條本身發(fā)生金屬疲勞的可能性也會增大許多，金屬件發(fā)生金屬疲勞通常就意味著會有裂縫、即將斷裂之類的毛病。調(diào)松了，發(fā)生脫鏈的概率就大幅度上升。我們把它畫成坐標圖好理解（見圖1.9）。所以可以看出維修店師傅的賣點就在于他能準確把握這個最佳工作點。把車子調(diào)整到這個工作點就需要費一些時間，一邊調(diào)觀察車子的各種狀態(tài)，最終將自行車調(diào)節(jié)在這個最佳的工作點上。從這個角度看鏈條和調(diào)節(jié)前輪主軸的例子，這個和我們調(diào)試模擬電路工作點不是如出一轍嗎？
同樣的，在醫(yī)學(xué)上，健康和生死問題也不是非黑即白的，在病與非病之間、生與死之間也不是界限分明的。 首先說說健康與生病之間的關(guān)系，很多人認為，一個人沒有生病就是健康，不健康就是生病。其實在健康和生病之間還有中間狀態(tài)，就是所謂的亞健康狀態(tài)。 圖1.10和表1.2為人健康狀態(tài)描述。
有些人會突然出現(xiàn)E點的癥狀，但如果患者仔細觀察自己的身體的話，其實至少B點的癥狀至少會有一些的。這個例子就說明病于非病、健康與非健康之間也和模擬電路一樣，是有漸進的過程的。 生與死的界限同樣也是有過渡過程的，曾經(jīng)就見過一個古稀老人，因為消化道急性炎癥，剛開始還能喝點稀飯之類的。因為炎癥沒有控制住，后來只能喝水，身體也日漸消瘦，靠輸液支持著。再往后，因為營養(yǎng)的問題，出現(xiàn)并發(fā)癥且意識模糊，在最后的40小時左右，說了最后一句話。這個時候醫(yī)生已經(jīng)告訴家屬，該患者已經(jīng)徹底沒有希望了。最后的幾個小時只能嘴唇微動，但可以聽見周邊人的說話，還會用眼神對別人的話作出反應(yīng)。在她徹底失去反應(yīng)之前，手一直是熱的。在最后的階段，你不能說她已經(jīng)死了，但是她明顯也不像是個大活人。從生病到駕鶴歸西，整個過程歷時2個月。這個例子也說明生與死同樣也不是非0即1的。 即使所謂的“死亡”真的發(fā)生了，比如醫(yī)生宣布某人脈搏和呼吸都停止了，并且腦死亡也已經(jīng)發(fā)生了。但是很多人不知道的是：其實這個時候身體的很多器官還在運轉(zhuǎn)。《法醫(yī)學(xué)》上的描述是：如果腦死亡發(fā)生20分鐘之內(nèi)，很多人體器官還有可供移植的價值、2小時之內(nèi)腸子還會蠕動、4小時之內(nèi)人體的某些肌肉對于一些化學(xué)刺激還有反應(yīng)。這個例子同樣也說明了，即使是死亡真的不可逆轉(zhuǎn)地發(fā)生了，其過程同樣也是漸進的，是一個“模擬”的過程。 經(jīng)常可以看見一些菜鳥工程師，在畫單片機電路板的時候，簡單的以為：這是一個純數(shù)字的系統(tǒng)，只要把線路全部連接起來就好了。事實上把線路全部連接起來，確實會有一些電路真的可以安全工作。但是一些稍微復(fù)雜的電路，只要碰到以下幾種情況之一，就可能就會出問題： l 工作頻率很高的數(shù)字電路，比如高速CPU系統(tǒng)。 l 大功率的系統(tǒng)，比如開關(guān)電源 l 電源上疊加了比較大的紋波 l 信號線比較長 l 工作電壓比較低，比如1.8V的系統(tǒng) l 微弱信號放大電路，比如硬盤的磁頭信號放大器、光盤的激光頭信號放大器。 所以，我的設(shè)計習慣是：無論什么電路，都把它看作模擬電路去設(shè)計。認真對待每一個銅箔的接線、認真計算每一個接口的阻抗和電平。出現(xiàn)異常的時候，用示波器仔細分析波形是否變形。只有這樣，數(shù)字電路才能有足夠的[url=]穩(wěn)定性[/url]。
|
