构建更佳系统模块设计的秘方——加“香料”SPICE

电路板厂退回错误百出的设计，还有比这更令人沮丧的事吗？如今，许多设计师都面对巨大压力，需要在几个星期内（如果不是几天的话）制出原型，而且设计迭代的空间也十分有限。幸运的是，最新设计工具凭借一种整体、直观的电路设计和验证方案，可以大幅提升生产效率。

在初期的规格设定阶段，许多半导体制造商都会提供一些工具，以辅助设计出鲁棒性出色的系统模块。例如，ADI公司就有一个在线滤波器设计工具，可以引导用户完成有源滤波器合成过程，并帮助用户基于这些规格参数选择推荐的运算放大器。该工具可以生成最终设计拓扑结构，以及物料清单和SPICE网络列表。在原型制作前的各个阶段，仿真环境（比如National Instruments (NI)提供的环境）可以借助指定器件的宏模型，实现进一步的优化和验证。


图1：NI Multisim中的20kHz巴特沃兹滤波器

在本文中，我们将考察这种整体式方案如何加快和改进往往令人生畏的滤波器设计任务——这是众多电子应用中的一个通用构建模块。

基本原理

最流行的模拟电流仿真工具是SPICE（集成电路加重的仿真程序）。SPICE的诞生可以追溯到上世纪60年代末，当时，加州大学伯克利分校开发出了该工具。SPICE逐渐发展成为模拟电路仿真的行业标准，至今仍然是世界上使用最为广泛的电路仿真工具。多年以来，涌现了更多的仿真算法、器件模型和扩展。比如，佐治亚理工学院开发了XSPICE，该工具可以对器件行为建模，从而加快了固定模式和数字仿真的速度。NI Multisim环境同时支持SPICE 3F5和XSPICE两类仿真。

但设计师为什么要为仿真操心呢？仿真已经成为设计过程中一个不可或缺的阶段，因为，它可以让工程师在制作原型前评估和验证电路的行为。仿真可以防止设计瑕疵通过设计链，进入成品电路板中，在后一阶段，重新设计的代价是极其昂贵的。另外，通过考察一系列“假设”场景，设计师可以在虚拟环境中改善其电路的性能，而且不存在任何风险。


图2：巴特沃兹滤波器的频率响应。


图3：用虚拟工具考察时域响应

使用电路仿真工具的一个主要优势是，它可以模拟用于仿真实际有序器件的宏模型。现代SPICE仿真工具也逐渐采取一种图形化模式，以其取代基于文本的传统过程。例如，NI Multisim集成了超过17,500个器件，其中包括大型半导体制造商生成的多种宏模型；在捕捉到电路时会自动生成基于文本的SPICE网络列表，而互动式测量工具（如示波器或函数生成器）则搭载了仿制其实际台式设备的显示器和功能。借助这些图形扩展，设计师不再需要掌握SPICE语法，即可获得仿真的各种优势。
        
仿真与滤波器设计

滤波器随处可见——从超声设备到起搏器，在这些应用中，必须确保只有特定范围的频率可以通过。然而，尽管滤波器是多种电子应用的常见构建模块，但滤波器的设计却鲜有人知，而且往往设计过程很痛苦。为什么会如此复杂？通常情况下，不擅长模拟电路设计的系统设计师并不是特别了解特定性能需要什么滤波器阶数。滤波器类型有很多种（巴特沃兹、切比雪夫、椭圆等），针对各种规格（如单调纹波、过渡区宽度）进行了优化。滤波器的设计还需要写复杂的数学等式，以便标识会改变滤波器波形的极点/零点位置。另一难题是，理论计算中假定的完美器件是不存在的；例如，电阻的制造公差会影响电路的预期行为。


图4：用Grapher工具记录时域特性

设计工具

诸如滤波器向导之类的设计工具可以大幅简化这一复杂任务，因为它们可以帮助设计师了解不同拓扑结构之间的差异，并就设计中使用的器件提出建议，无需设计师了解复杂的数学知识。借助图形环境，设计师可以观察电路在各种器件容差下的运行情况。

对巴特沃兹滤波器设计的验证

在我们的例子中，我们将验证有源滤波器的设计。该滤波器借助ADI滤波器向导设计而成，集成了ADA4000-2双通道精密运算放大器，之所以选择这款放大器，是因为它在容性负载条件下具有较快的压摆率和突出的稳定性，是滤波器设计的理想之选。
这款运算放大器具有皮安级偏置电流，可以使用高值电阻来构建低频滤波器，而无需担忧增加直流误差的问题。另外，R1采用高值可以极大地减少与信号源电阻的交互问题。尽管通过级联更多模块可以构建出更高阶的滤波器，但对器件值的敏感度以及器件对频率响应之间的交互效应会大幅增加，这些问题降低了这些选择的吸引力。信号相位通过滤波器维持（同相配置）。
滤波器由NI Multisim捕捉到，用于验证和进一步分析，如图1所示。这款低通、4阶巴特沃兹滤波器的设计截止频率为20kHz，采用Sallen-Key实现方式，其具有设计简单、频率响应超平、器件要求少等特点。

巴特沃兹滤波器在通带和阻带中具有单调性，而且拥有最佳的通带纹波和较宽的过渡区（即通带与阻带之间的区域）。在数据采集系统中通常用作抗混叠滤波器。EVALFLTR-SO-1RZ和EVAL-FLTR-LD-1RZ两款滤波器板上采用了这种Sallen-Key滤波器拓扑结构的双极点版本，该滤波器板可以从ADI订购。该评估板的应用笔记为AN0991。

在设计滤波器时，必须同时考虑电路的频率和时域响应。接下来，我们来看看如何通过NI Multisim验证这些特性：

1. 验证频率响应：图2所示为交流分析的结果。仿真结果表明，截止频率（增益下降3dB时的频率）为20.1kHz，非常接近我们设定的20kHz。可以看出，在该转折频率以外，增益会下降80dB/十倍频程（滤波器传递函数中的每个节点为- 20dB/十倍频程或-6dB/八倍频程）。我们还可以观看到，阻带不像理想滤波器那样连续下降；受运算放大器电压增益损失的影响，增益在1MHz左右开始增加。通过光标，我们可以估测该阻带在700kHz左右。

2.验证时域响应：我们可以用Multisim中的测量工具来考察阶跃响应。函数生成器允许我们输入一个激励值，而示波器则使我们可以观察输出波形，都是在原理图环境中直接进行。这些测量工具模拟的是真实的台式仪器。例如，借助示波器，可以基于波形特性调节时基、分压等参数。借助测量工具，我们也可以实时更改设置，比如函数生成器设定的频率，这样，我们就可以观察，当频率超过20kHz这个点时，信号会衰减多少。

我们可以用图3所示的示波器来测量上升时间、建立时间等特性，不过，我们也可以在Grapher中查看这些数据，这样，我们就可以为图形添加注释或者将其打印出来，以便存档。我们将考察的第一个特性是上升时间（定义为：从最终输出值的10%到90%所经过的时间）；借助光标，我们可以将其确定为19.3us。同时可以看出，建立时间约为92us。这些特性在图4所示图中已经标注出来。（注意：参数TMAX会影响上升时间，在本例中，更改了其默认值）。

3.考虑最差情况：仿真的另一个核心优势在于，它能够考虑非理想的器件值（即容差）。借助蒙特卡洛分析（通过在5%的器件容差范围内对器件值进行排列，可以运行多个交流分析），我们可以看到截止频率在最差情况下会受到什么影响。

有些测量需要比其他测量更多的后处理。例如，如果重复执行的话，像计算上升时间一样的任务可能变得十分乏味、冗长。幸运的是，有些工具可以解决这个问题。NI LabVIEW是一种图形编程语言，我们可以用它来创建定制界面，以在Multisim中实现测量的可视化和分析。该工具可以根据输入和输出波形，自动化计算滤波器设计的上升时间、斜率、过冲和欠冲。通过创建定制工具，设计师可以自动显示精确的特性值，而传统上，这是需要人工后处理的。可以针对大量应用创建定制工具，包括将采集到的真实测量值导入NI Multisim之中（这些测量值含有现实世界的影响，比如噪声），从而实现更高的仿真精度。

总之，对如今的系统设计师来说，如果想法未经验证就付诸实施，其代价将过于高昂。借助现代设计工具，比如ADI滤波器向导和NI Multisim，设计师完全可以消除后顾之忧。工程师可以在原型制作尚未开始之前，就验证并改进电路行为，从而极大地提高了设计效率。最终，使代价高昂的重新设计工作得以减少，上市时间得以缩短，设计性能得以改善。