構建更佳系統(tǒng)模塊設計的秘方――加“香料”SPICE

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

在初期的規(guī)格設定階段，許多半導體制造商都會提供一些工具，以輔助設計出魯棒性出色的系統(tǒng)模塊。例如，ADI公司就有一個在線濾波器設計工具，可以引導用戶完成有源濾波器合成過程，并幫助用戶基于這些規(guī)格參數選擇推薦的運算放大器。該工具可以生成最終設計拓撲結構，以及物料清單和SPICE網絡列表。在原型制作前的各個階段，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，實現(xiàn)進一步的優(yōu)化和驗證。

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往往令人生畏的濾波器設計任務——這是眾多電子應用中的一個通用構建模塊。

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60年代末，當時，加州大學伯克利分校開發(fā)出了該工具。SPICE逐漸發(fā)展成為模擬電路仿真的行業(yè)標準，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，涌現(xiàn)了更多的仿真算法、器件模型和擴展。比如，佐治亞理工學院開發(fā)了 XSPICE，該工具可以對器件行為建模，從而加快了固定模式和數字仿真的速度。NI Multisim環(huán)境同時支持SPICE 3F5和XSPICE兩類仿真。

但設計師為什么要為仿真操心呢?仿真已經成為設計過程中一個不可或缺的階段，因為，它可以讓工程師在制作原型前評估和驗證電路的行為。仿真可以防止設計瑕疵通過設計鏈，進入成品電路板中，在后一階段，重新設計的代價是極其昂貴的。另外，通過考察一系列“假設”場景，設計師可以在虛擬環(huán)境中改善其電路的性能，而且不存在任何風險。

圖2：巴特沃茲濾波器的頻率響應。

圖3：用虛擬工具考察時域響應

使用電路仿真工具的一個主要優(yōu)勢是，它可以模擬用于仿真實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)過程。例如，NI Multisim集成了超過17,500個器件，其中包括大型半導體制造商生成的多種宏模型;在捕捉到電路時會自動生成基于文本的SPICE網絡列表，而互動式測量工具(如示波器或函數生成器)則搭載了仿制其實際臺式設備的顯示器和功能。借助這些圖形擴展，設計師不再需要掌握SPICE語法，即可獲得仿真的各種優(yōu)勢。

仿真與濾波器設計

濾波器隨處可見——從超聲設備到起搏器，在這些應用中，必須確保只有特定范圍的頻率可以通過。然而，盡管濾波器是多種電子應用的常見構建模塊，但濾波器的設計卻鮮有人知，而且往往設計過程很痛苦。為什么會如此復雜?通常情況下，不擅長模擬電路設計的系統(tǒng)設計師并不是特別了解特定性能需要什么濾波器階數。濾波器類型有很多種(巴特沃茲、切比雪夫、橢圓等)，針對各種規(guī)格(如單調紋波、過渡區(qū)寬度)進行了優(yōu)化。濾波器的設計還需要寫復雜的數學等式，以便標識會改變?yōu)V波器波形的極點/零點位置。另一難題是，理論計算中假定的完美器件是不存在的;例如，電阻的制造公差會影響電路的預期行為。

圖4：用Grapher工具記錄時域特性

設計工具

諸如濾波器向導之類的設計工具可以大幅簡化這一復雜任務，因為它們可以幫助設計師了解不同拓撲結構之間的差異，并就設計中使用的器件提出建議，無需設計師了解復雜的數學知識。借助圖形環(huán)境，設計師可以觀察電路在各種器件容差下的運行情況。

對巴特沃茲濾波器設計的驗證

在我們的例子中，我們將驗證有源濾波器的設計。該濾波器借助ADI濾波器向導設計而成，集成了ADA4000-2雙通道精密運算放大器，之所以選擇這款放大器，是因為它在容性負載條件下具有較快的壓擺率和突出的穩(wěn)定性，是濾波器設計的理想之選。

這款運算放大器具有皮安級偏置電流，可以使用高值電阻來構建低頻濾波器，而無需擔憂增加直流誤差的問題。另外，R1采用高值可以極大地減少與信號源電阻的交互問題。盡管通過級聯(lián)更多模塊可以構建出更高階的濾波器，但對器件值的敏感度以及器件對頻率響應之間的交互效應會大幅增加，這些問題降低了這些選擇的吸引力。信號相位通過濾波器維持(同相配置)。

濾波器由NI Multisim捕捉到，用于驗證和進一步分析，如圖1所示。這款低通、4階巴特沃茲濾波器的設計截止頻率為20kHz，采用Sallen-Key實現(xiàn)方式，其具有設計簡單、頻率響應超平、器件要求少等特點。

巴特沃茲濾波器在通帶和阻帶中具有單調性，而且擁有最佳的通帶紋波和較寬的過渡區(qū)(即通帶與阻帶之間的區(qū)域)。在數據采集系統(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濾波器拓撲結構的雙極點版本，該濾波器板可以從ADI訂購。該評估板的應用筆記為AN0991。

在設計濾波器時，必須同時考慮電路的頻率和時域響應。接下來，我們來看看如何通過NI Multisim驗證這些特性：

1. 驗證頻率響應：圖 2所示為交流分析的結果。仿真結果表明，截止頻率(增益下降3dB時的頻率)為20.1kHz，非常接近我們設定的20kHz。可以看出，在該轉折頻率以外，增益會下降80dB/十倍頻程(濾波器傳遞函數中的每個節(jié)點為- 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;受運算放大器電壓增益損失的影響，增益在1MHz左右開始增加。通過光標，我們可以估測該阻帶在700kHz左右。

2.驗證時域響應：我們可以用Multisim中的測量工具來考察階躍響應。函數生成器允許我們輸入一個激勵值，而示波器則使我們可以觀察輸出波形，都是在原理圖環(huán)境中直接進行。這些測量工具模擬的是真實的臺式儀器。例如，借助示波器，可以基于波形特性調節(jié)時基、分壓等參數。借助測量工具，我們也可以實時更改設置，比如函數生成器設定的頻率，這樣，我們就可以觀察，當頻率超過20kHz這個點時，信號會衰減多少。

我們可以用圖3所示的示波器來測量上升時間、建立時間等特性，不過，我們也可以在Grapher中查看這些數據，這樣，我們就可以為圖形添加注釋或者將其打印出來，以便存檔。我們將考察的第一個特性是上升時間(定義為：從最終輸出值的10%到90%所經過的時間);借助光標，我們可以將其確定為19.3us。同時可以看出，建立時間約為92us。這些特性在圖4所示圖中已經標注出來。(注意：參數TMAX會影響上升時間，在本例中，更改了其默認值)。

3.考慮最差情況：仿真的另一個核心優(yōu)勢在于，它能夠考慮非理想的器件值(即容差)。借助蒙特卡洛分析(通過在5%的器件容差范圍內對器件值進行排列，可以運行多個交流分析)，我們可以看到截止頻率在最差情況下會受到什么影響。

有些測量需要比其他測量更多的后處理。例如，如果重復執(zhí)行的話，像計算上升時間一樣的任務可能變得十分乏味、冗長。幸運的是，有些工具可以解決這個問題。 NI LabVIEW是一種圖形編程語言，我們可以用它來創(chuàng)建定制界面，以在Multisim中實現(xiàn)測量的可視化和分析。該工具可以根據輸入和輸出波形，自動化計算濾波器設計的上升時間、斜率、過沖和欠沖。通過創(chuàng)建定制工具，設計師可以自動顯示精確的特性值，而傳統(tǒng)上，這是需要人工后處理的。可以針對大量應用創(chuàng)建定制工具，包括將采集到的真實測量值導入NI Multisim之中(這些測量值含有現(xiàn)實世界的影響，比如噪聲)，從而實現(xiàn)更高的仿真精度。

總之，對如今的系統(tǒng)設計師來說，如果想法未經驗證就付諸實施，其代價將過于高昂。借助現(xiàn)代設計工具，比如ADI濾波器向導和NI Multisim，設計師完全可以消除后顧之憂。工程師可以在原型制作尚未開始之前，就驗證并改進電路行為，從而極大地提高了設計效率。最終，使代價高昂的重新設計工作得以減少，上市時間得以縮短，設計性能得以改善。