模拟，无处不在
发布时间：2011-3-11 20:01
发布者：1770309616
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模拟电路
经常翻阅各种电子行业的平面媒体，每每看见Analog Device公司的广告，在广告画面的下方，都会有这么一个广告词“Analog is everywhere”(见图1.1)。翻译成中文，就是本文的标题“模拟，无处不在”。
我想，Analog Device公司想通过这个广告词想表达这样几层意思： 1.1 任何电路都会有可能用到模拟器件 我虽然和Analog Device没有任何利害关系。但是凭良心说，电子行业混了十几年，自己也感觉Analog Device公司的模拟产品的质量还是拿得出手的。他通过这个广告词来强化“Analog Device”商标在电子行业的品牌效应。 任何电路都会有可能用到模拟器件，这句话换一种说法，就是：“这个世界没有100%的全数字产品”。任何电子产品都会有模拟电路的部分，都有可能用到工作在线性状态的模拟器件。比如表1.1所列的电子产品： MP3、MP4 公认的数字产品 但是至少他的audio部分是模拟的。MP4的TFT屏幕对外接口虽然也是数字的。但是显示出华丽的色彩，那些色彩就是由数字信号转换而来的模拟信号。 收音机、CRT电视 不用说，传统的模拟电子产品。相信不会有人说他是数字的。 平板电视 信号部分一般都是数字信号处理的。但是其前端高频头是模拟的、伴音输出是模拟的、TFT屏幕最后还原出来的彩色信号也是模拟的。 光驱、硬盘 无论是SATA接口还是IDE接口，在其前端读取数据的部分，都是模拟的。 光驱靠激光头还原出微小的光盘反射信号，放大后经过处理得到光盘上的数据；硬盘靠磁阻磁头还原出微小的磁信号，放大后经过处理得到磁盘上的数据；SATA接口是一种电流型的串行接口，在数据发送端和接收端也都需要工作在线性状态的模拟器件，否则就不能传送高速的数字信号了。 硬盘上的信号也是模拟储存的，硬盘上面的磁阻磁头在放大信号后，经过一个判别电路，电平大于某个数值的判断为1、小于某个数值的判断为0。光盘上的0-1-0-1-0-1-0-1信号，在光盘上虽然是一一个个细小的坑洞来表示，看似“很数字很数字”。可是由于光盘反射层的反射率有大有小、激光头的功率有大有小、盘面距离激光头的距离还会有微小的瞬时抖动，实际上激光头读出来的信号仍然是可大可小的模拟信号。需要经过信号自动增益控制电路，稳定信号的幅度。然后解调才得到数字信号。 手机 中间的信号都是数字的，前端的射频信号处理和后端的声音还原都是模拟的。从我看过的NOKIA的N7x系列手机电路图和MTK山寨机的手机电路图来看，他们后端的音频功率放大器为了省电，全部使用PWM调制，做成很节能的D类放大器，将音频信号重放出来。这也是一种形式的D/A转换。 以太网交换机 以太网芯片都有一个模拟前端，工作于线性状态。还有一个以太网变压器，上面传递的其实也是模拟的电流环信号。数字信号经过模拟编码后，通过电路板上的以太网变压器传送。 以太网前端还要考虑变压器和线缆之间的阻抗匹配。这些都是模拟电路里面经常要考虑的东西。 U盘 USB口看似一个数字接口，其实他和以太网一样，前端也是模拟的电流环信号。USB口有4根线，分别是+5V、GND、DATA+、DATA—。其中DATA+、DATA— 构成了一个模拟的电流环信号。 台式机CPU CPU处理的都是数字信号，但是随着CPU工作频率越来越高，其设计也越来越讲究。最早的CPU其地址总线、数据总线都是一个个的TTL信号。但是随着CPU工作频率的升高，这种方式变得很不稳定[U1] 。而改进的措施，都是基于模拟技术而改进的。正是由于这些模拟技术的存在，才让这些信号传输又稳定、又高速。 随着CPU工作电压的下降，电源的噪声和半导体材料的噪声对CPU的干扰越来越明显，为此CPU内部的信号传输都作了很多变化。而无论是高频的无线电发射电路，还是高频的CPU电路，设计的过程都很类似。 表1.1 1.2 凡是电路，其实都是模拟电路。 我做了这些年的设计，慢慢有些感悟。其中一个感悟就是：“这个世界其实没有数字电路，所有的电路都是模拟的。数字电路只是模拟电路的特殊形式，正如同正方形是矩形的特殊形式、圆形是椭圆的特殊形式一样。”或者更简单的说：“数字电路是模拟电路的一个子集。” 这两句话可能会比较难以理解，首先我们来理解“正如同正方形是矩形的特殊形式、圆形是椭圆的特殊形式一样”这句话。回头翻阅一下几何书，书上说：一个矩形，如果他的长度和宽度一样，那它就是正方形。所以正方形是矩形的特殊形式；一个椭圆，其长轴和短轴的长度相等，那它就是一个圆形。所以圆形是椭圆的特殊形式。 数字电路是模拟电路的特殊形式，就比较难理解了。 为了说明这个问题，我找了一个TTL集成电路74HC08的规格书，相信没有谁会否认这个IC是数字电路吧？图1.2是这个IC的直流参数表。其中一项VIH（高电平输入电压值）。它有最大、最小和典型值三个数据。在不同的电压下其数据还不一样。比如IC供电电压VCC=6V的时候，最小值=4.2、典型值=3.2。就是说，要让这个IC认为输入的信号是高电平，一般要求输入电压要达到3.2V，在最坏的情况下，也要达到4.2V。达到4.2V他绝对就可以100%认可你的输入电平为高电平。 同样的道理IC供电电压VCC=6V的时候，VIL（低电平输入电压）至少要小于2.8V。 那问题就来了，在2.8V和3.2V之间的输入电压，算0，还是算1？答案是：这个IC会随机的认为这是0，或者是1。 
把以上问题图示成图 1.3，就可以更好的说明问题。 l 如果你要让IC的输出和你的输入百发百中确定的相关，你就要把你的输入电压控制在A和E的范围内， l B和D的范围也许可以稳定工作，但是未必能够100%保证可靠，也许不可靠的概率可能有10%，也可能只有1%，比较难发现。但是你的电路就埋下了一个爆炸时间为未知数的炸弹。 l 如果你不幸把输入电压放在了C的范围内，这个时候这个IC就判断不清除你输入的电压是0还是1，所以在这种情况下，出现问题的概率非常大，也许你的电路立即就会死得很难看。 
把以上问题用如图1.4所示的坐标图表示，更容易理解了： 
看明白了吧！即使是数字电路，他的输入输出其实也是和电压的大小强弱密切相关的，多一点少一点都可以造成不同的结果。 传递数字信号，比如在远距离和高吞吐量的数字传输方面，也经常用模拟技术来传递我们平常所说的“数字信号”。这个方面最好的例子，就是电流环的RS485信号。 大家都知道RS232接口的信号不能传递很远，而RS485接口的信号就可以轻轻松松的把信号传递到3～4公里外。RS232信号之所以不能传远，就是因为它将0-1-0-1的数字信号转换成了+10V、-10V的电压，用电压通过电缆进行传送。这些电压在信号的发送端都可以做的很好，但是结果电缆之后，由于电缆的分布电容、分布电感、空间的干扰、信号的振铃和反射等因素，到电缆的对端接收后，信号都会有所变形。而且电缆越长变形越严重。 为了解决这个问题，人们使用了电流环差分信号来传送数字信号。 
图 1.5是我们常用的MAX485芯片的信号传输等效图，左边的驱动器D是用于发送的，右边的接收器R是用于接收的。2个100pF电容用于模拟信号电缆的分布电容。54Ω的电阻是信号匹配电阻。 发送器的输入TTL IN就是图 1.6里面的DI，RECEIVER OUT就是图1. 6里面的RO。图 1.6里面的Vy-Vz是发送器的Z输出和Y输出之间的电压差。这里可以看见，它有点像一个锯齿波，而且摆幅也在±1V之间，已经是公认的模拟信号了。在图 1.7可以看见在接收端的A、B端点之间，只需要电压差的绝对值大过0.2V接收器就可以接收了，这也说明，IC内部其实是有模拟电路的，起码，他需要将0.2V的信号放大到2~3V的水平。 从这里，可以看见在传输路径中，经过了2次信号变换，他们分别是：“数字信号”→差分模拟信号→“数字信号”，而在线缆上传送的只是差分模拟信号。 使用以上方法，可以大幅度减少噪声对电缆的干扰。也可以最大限度的弱化电缆直流电阻、分布电容和分布电感的影响。这就是为什么RS485的传输距离远远高过RS232接口的缘故。 类似的原理，电流环还应用在LVDS传输接口、1394总线、以太网接口、SATA硬盘传输线、USB传输线上。大家使用的LCD电脑监视器，它的LCD屏幕的信号电缆也是用这个原理传输的，所以一个小小的电缆可以轻松传送监视器那样的高带宽信号。 
本书中还有一个文章《搞定噪声》里面的章节“注意你的高速数字信号”，如果您能理解这个文章所陈述的思想，你就会发现，传送高频率的数字信号其实很麻烦，不仅有传输距离的限制，还会有振铃、反射等一大堆的问题。这些问题都是模拟电路中才有的问题。而要传输好这些高频率的数字信号，有且仅有使用模拟的这些解决之道才能搞定。 与文章《搞定噪声》里面的章节“注意你的高速数字信号”的原理类似，你可以拔一条计算机的内存条出来看看，上面除了内存颗粒，还有很多贴片的电阻，而且大都靠近连接器的位置，这些基本都是降低振铃、反射等问题用的（见图1.8）。 
所以，设计一个计算机主板，其实是一个很有技术含量的事情。市场方面有成本压着，不能随便使用高档材料，技术上，CPU系统的工作频率不断升级，电路的布线难度越来越高，还要考虑散热、电磁兼容等一大堆的问题。所以虽然很多人认为设计电路板是个简单劳动。可是设计主板的工程师绝对不会是菜鸟。 推而广之 刚参加工作的时候，经常骑自行车，由于有自己动手的习惯，喜欢动手自己维修自行车。记得当时把前轮拆下来修理后，以为自行车没什么大不了的，就随随便便的把前轮装上去。虽然也能骑，却骑得很不舒服。后来拿到维修店请师傅看，才知道，车轮在安装的时候，车轮和主支架有夹角。所以车轮转动后就不平衡了，轮胎会左右晃动。维修店的师傅又把它拆下来，仔仔细细地慢慢调正，前轮的主轴螺丝被一点点一点点地调紧，一边调整还要一边不时地转动轮子，看看轮子转动后的动态平衡状况。之后自行车才有了比较好的使用感觉。 比较类似的，还有自行车的链条。调紧了，骑的时候很费力（传动效率低），链条本身发生金属疲劳的可能性也会增大许多，金属件发生金属疲劳通常就意味着会有裂缝、即将断裂之类的毛病。调松了，发生脱链的概率就大幅度上升。我们把它画成坐标图好理解（见图1.9）。所以可以看出维修店师傅的卖点就在于他能准确把握这个最佳工作点。把车子调整到这个工作点就需要费一些时间，一边调观察车子的各种状态，最终将自行车调节在这个最佳的工作点上。从这个角度看链条和调节前轮主轴的例子，这个和我们调试模拟电路工作点不是如出一辙吗？ 
同样的，在医学上，健康和生死问题也不是非黑即白的，在病与非病之间、生与死之间也不是界限分明的。 首先说说健康与生病之间的关系，很多人认为，一个人没有生病就是健康，不健康就是生病。其实在健康和生病之间还有中间状态，就是所谓的亚健康状态。 图1.10和表1.2为人健康状态描述。 
有些人会突然出现E点的症状，但如果患者仔细观察自己的身体的话，其实至少B点的症状至少会有一些的。这个例子就说明病于非病、健康与非健康之间也和模拟电路一样，是有渐进的过程的。 生与死的界限同样也是有过渡过程的，曾经就见过一个古稀老人，因为消化道急性炎症，刚开始还能喝点稀饭之类的。因为炎症没有控制住，后来只能喝水，身体也日渐消瘦，靠输液支持着。再往后，因为营养的问题，出现并发症且意识模糊，在最后的40小时左右，说了最后一句话。这个时候医生已经告诉家属，该患者已经彻底没有希望了。最后的几个小时只能嘴唇微动，但可以听见周边人的说话，还会用眼神对别人的话作出反应。在她彻底失去反应之前，手一直是热的。在最后的阶段，你不能说她已经死了，但是她明显也不像是个大活人。从生病到驾鹤归西，整个过程历时2个月。这个例子也说明生与死同样也不是非0即1的。 即使所谓的“死亡”真的发生了，比如医生宣布某人脉搏和呼吸都停止了，并且脑死亡也已经发生了。但是很多人不知道的是：其实这个时候身体的很多器官还在运转。《法医学》上的描述是：如果脑死亡发生20分钟之内，很多人体器官还有可供移植的价值、2小时之内肠子还会蠕动、4小时之内人体的某些肌肉对于一些化学刺激还有反应。这个例子同样也说明了，即使是死亡真的不可逆转地发生了，其过程同样也是渐进的，是一个“模拟”的过程。 经常可以看见一些菜鸟工程师，在画单片机电路板的时候，简单的以为：这是一个纯数字的系统，只要把线路全部连接起来就好了。事实上把线路全部连接起来，确实会有一些电路真的可以安全工作。但是一些稍微复杂的电路，只要碰到以下几种情况之一，就可能就会出问题： l 工作频率很高的数字电路，比如高速CPU系统。 l 大功率的系统，比如开关电源 l 电源上叠加了比较大的纹波 l 信号线比较长 l 工作电压比较低，比如1.8V的系统 l 微弱信号放大电路，比如硬盘的磁头信号放大器、光盘的激光头信号放大器。 所以，我的设计习惯是：无论什么电路，都把它看作模拟电路去设计。认真对待每一个铜箔的接线、认真计算每一个接口的阻抗和电平。出现异常的时候，用示波器仔细分析波形是否变形。只有这样，数字电路才能有足够的[url=]稳定性[/url]。 
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