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[征文原创]模拟,无处不在1

Yamei 在 2013-1-25 詢問的問題

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。

結果