本教程強調了謹慎設計電路的重要性，并仔細思考設計的各個方面。很多時候，工程師被數據手冊的規格引入歧途，要么是因為它們是四舍五入的，要么是因為工程師只記住了典型規格。無論出現哪個陷阱，設計都可能產生災難性的結果。本文檔解釋了為什么依賴四舍五入的數字和典型規格，以及支持仿真而不是物理原型會導致電路失效。

四舍五入的數字并不總是相加

正如美國政治家亨利·克萊（Henry Clay）曾經說過的那樣，“統計數據不能代替判斷。1對于統計數據如此，對于數據手冊規格也是如此。隨著對設計工程師的要求不斷提高，以及效率的溢價，乍一看很容易相信器件的規格。然而，邏輯必須占上風——無論是在電路設計中還是在現實世界中。工程師需要花時間充分考慮他們的設計，以避免因必要的（盡管有時具有誤導性）規格四舍五入而導致的錯誤。

作為舍入陷阱的一個例子，一些帶有輸出緩沖器的數模轉換器（DAC）具有數據手冊中列出的相互矛盾的規格。例如，輸出擺幅（無負載）為 0V （地） 至 V抄送，但零誤差和失調最大值為地以上10mV。

輸出緩沖器是一個運算放大器（op amp）。多年前，早期的運算放大器只能達到2V至3V的功率和地電壓，因此當一個運算放大器設計為在毫伏以內的地時，這是一個大問題。一位營銷天才創造了“軌到軌”一詞2來描述零件，它已成為行業公認的通用術語。模擬工程師知道這不完全是一個真實的短語，但它很接近并且很容易說出來。

輸出驅動器的傳統配置（圖1A）無法靠近電源軌，因為它耗盡電流并削斷信號。圖1B顯示了一個軌到軌輸出，如果負載較輕，可以接近電源軌。3

圖1.輸出級：A） 常規運算放大器輸出;B） “軌到軌”輸出。

至于DAC緩沖器或運算放大器，如果沒有負載，則無法測量，因為不存在具有無限阻抗的儀表。而且我們知道每個實際電路都有有限的泄漏，因此輸出只能接近零。

區別在于四舍五入或觀察的密切程度。考慮被測電路板（圖2）。我們使用顯示5V擺幅的示波器（圖2A）觀察，該器件的輸出似乎在5V和地之間擺動，因為誤差遠小于走線寬度。現在用 8 位數字和 1M 的萬用表測量？輸入阻抗（圖 2B）。突然間，人們看穿了四舍五入的魔力——輸出接近地面，但永遠不會等于地面，而不會四舍五入許多數字。

圖2.被測板：（A）用示波器觀察;和 （B） 帶萬用表。

不熟悉的數字工程師可能會看到這個術語，并實際上認為運算放大器會接地。因此，他設計了DAC之后的下一個電路，使其必須歸零才能正常工作。盡管實際上，DAC輸出僅在幾毫伏以內的地電壓。

除了“典型”之外的任何東西

不幸的是，依靠四舍五入的數字并不是唯一可以愚弄經驗不足（或過度勞累）的工程師的設計陷阱。此外，在設計時考慮典型規格并不是很好的做法，尤其是當設備要大量生產時。一位優秀的模擬工程朋友說：“你可以使任何電路中的一個工作。他的意思是，他可以選擇像晶體管早期那樣的組件，當時某些電路只有在對晶體管進行beta分類時才起作用。他可以手工調整電路，但沒有人可以批量生產它。

“典型”是識別神話平均值的統計陳述;它對設備群中的點進行分類或命名。但是，在人口中可能沒有一個部分等于平均值，因為平均值是整體的陳述，而不是個人的陳述。例如，讓我們使用一串數字：1、2、7 和 10。總數是 20，除以 4 得到平均值 5。因此，數字字符串不包含平均數 （5），但它確實包含一個平均值 （7），這是最接近平均值的數字。這與馬克吐溫的一句話相對應：“人物經常迷惑我，尤其是當我自己安排它們時。

如果依賴于每個零件上的所有規格都是“典型”的，則有時特定電路可能無法正常工作。那么，為什么半導體制造商要在數據手冊上引用典型規格呢？它們僅供一般指導。作為人類，我們在日常生活中做類似的事情。例如，我們可以談論以“汽車長度”衡量的距離。有一次，安全專家建議在我們的車和我們前面的車之間留出空間。他們說，我們每行駛 10 英里，就要留出一輛車長的空間（每小時 6 英里意味著留下 8 輛車長的空間）。這是一般規則，而不是精確的測量。畢竟，他們指的是智能汽車（2英尺或6.1956米）或18年凱迪拉克?（5.5英尺或9.<>米）的長度。4)?今天，同樣的安全專家建議在汽車通過道路上的固定點時觀察前方，并每每小時 10 英里計算一秒。有人拿出秒表來測量嗎？只有工程師才會想要測量納秒——大多數人只是說，“一，一千;兩個，一千“在他們的呼吸下來衡量這一點。

我們需要構建一個物理原型嗎？

顯然，有必要將不同的錯誤源添加到一起以正確評估系統錯誤。這就是為什么使用應用筆記很重要的原因5,6、計算器和設計工具作為指南，幫助評估精度、噪聲、有效位數 （ENOB）、帶隙和良率7,8.但是，工程師在討論是否需要物理原型時，必須了解電路仿真的局限性。（注：關于物理原型的爭論已經持續了幾十年，這不會是關于這個主題的最終決定。

為了加快仿真（SIM）過程，工程師通常會簡化器件模型。例如，在正常或正向偏置模式下對晶體管和其他部件進行建模是很常見的。這是合乎邏輯的，因為這些是最常用的模式。我們將研究一種早期的SIM方法，稱為集成電路重點仿真程序（SPICE9），一種模擬電子電路模擬器，于 1970 年代初在加州大學伯克利分校率先推出。典型的NPN晶體管模型在晶體管正向偏置的情況下工作，作為發射極跟隨器或增益級。

線性正向偏置NPN晶體管發射極跟隨器（圖3A）是在典型的SPICE模型中建模的。圖3B為齊納二極管。當基極與發射極短路時，晶體管變成齊納二極管，如圖3C所示。SPICE模型可以包括齊納模式嗎？當然，但它不是經常需要的，因此只會減慢模擬速度并使模擬復雜化。這只是加快SIM卡速度的一個快捷方式。很多時候，線性模式被認為是理所當然的，以至于沒有指定電源。假設電源遠離信號電壓，因此器件永遠不會在非線性模式下工作。工程師需要確保有足夠的動力頭部和腳部空間。事實上，在許多版本的SPICE運行之前，需要首先在單獨的步驟中計算直流偏置點。這種晶體管模型限制只是仿真和物理原型不同的一個領域;幾乎所有模型都最小化，以降低復雜性并減少仿真或運行時間。

圖3.A 表示線性發射器跟隨器;B是齊納二極管;C是作為齊納二極管連接的晶體管。

此外，有時數據手冊并不清楚所有參數。前段時間，我在一家半導體公司工作，該公司不再在單個硅襯底上制造分立晶體管。有兩個PNP和三個NPN晶體管一起制造，以便它們與溫度匹配和跟蹤良好。就在原型電路布置為PCB之前，一位工程師注意到這兩個電路不能很好地跟蹤溫度。他決定在IC中使用四個晶體管。它們被用作兩個達林頓連接的發射器跟隨器。每個電路使用一個PNP和一個NPN。由于它們只是發射極跟隨器取代分立晶體管發射極跟隨器，并且時間緊迫，因此它們沒有原型。電路板回來了，事情幾乎可以工作——溫度跟蹤很好，但我們增加了巨大的差分增益和相位誤差。這是我們第一次看到具有差分增益的發射極跟隨器，因為當寄生集電極電容隨集電極電壓變化值時，通常在共發射極放大器中看到差分增益。與低頻增益相比，它會導致高頻增益發生變化。

發生此錯誤的原因是數據手冊未指定將晶體管與基板隔離的反向偏置二極管是變電容二極管。變差帽10二極管，也稱為“變容二極管”或“調諧二極管”，其電容隨反向偏置二極管兩端的電壓變化。這是一個物理原型會揭示的驚喜。因此，教訓是在決定不制作原型時要非常小心。對于表面貼裝零件（幾乎不可能手工連接原型），創建多個PCB布局是關鍵步驟。您的“原型”可能是三種布局中的第一個，最終的板希望是第三種布局。

結論

我們中的許多人都很幸運，有父母、祖父母和模擬導師提醒我們，在電子產品和生活中，沒有真正的捷徑。盡管在我們的設計中使用四舍五入的數字、典型規格和快速仿真很誘人，但我們必須問自己，從長遠來看，這些捷徑是否真的可以節省時間。數據手冊規格和仿真無法與工程師最寶貴的資產（知識和判斷）的價值相媲美。

審核編輯：郭婷