【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】--第二篇
<div style="text-align: center;"><strong>【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】</strong></div><div style="text-align: center;"><strong>--第二篇</strong></div>
<div> 距离上一次更新有了一些时日，我在闲暇时间对这本书进行了精读，下面和大家分享一下。今天主要分享本书的1-3章的内容。这本书相较于纯粹的理论知识类的书籍，总体偏向于应用层面，如要深度学习，需要有一定的基础以及经验积累。</div>
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<div><strong>第一章所涉及到的元器件有电阻、电容、电感、磁珠、二极管、三极管、MOS管以及TVS和ESD。</strong></div>
<div><strong> </strong>下面从我自身阅读的角度触发给大家分享，首先电阻电感电容这些无源元器件我们应该是非常熟悉的，毕竟高中就有接触，这些大家可以自己拓展。磁珠大家可能感到很陌生，下面给大家讲解一下：磁珠是一种电子元件，用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力。虽然这两个元器件的外形很接近，有时候功能也很相似，但实际上这两个元器件不管是在原理上还是应用上都有很大的差距，此书中讲解了<strong>电感和磁珠的区别：</strong>磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电<a href="https://baike.baidu.com/item/%E8%84%89%E5%86%B2/1938481?fromModule=lemma_inlink">脉冲</a>的能力。磁珠是用来吸收超高频信号，像一些RF电路，PLL，<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%8C%AF%E8%8D%A1%E7%94%B5%E8%B7%AF/11043717?fromModule=lemma_inlink">振荡电路</a>，含超高频存储器电路（<a href="https://baike.baidu.com/item/DDR/105442?fromModule=lemma_inlink">DDR</a> <a href="https://baike.baidu.com/item/SDRAM/362234?fromModule=lemma_inlink">SDRAM</a>，<a href="https://baike.baidu.com/item/RAMBUS/554144?fromModule=lemma_inlink">RAMBUS</a>等）都需要在电源输入部分加磁珠，而电感是一种蓄能元件，用在<a href="https://baike.baidu.com/item/LC%E6%8C%AF%E8%8D%A1%E7%94%B5%E8%B7%AF/0?fromModule=lemma_inlink">LC振荡电路</a>，中低频的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E7%94%B5%E8%B7%AF/2093250?fromModule=lemma_inlink">滤波电路</a>等，其应用<a href="https://baike.baidu.com/item/%E9%A2%91%E7%8E%87%E8%8C%83%E5%9B%B4/8669906?fromModule=lemma_inlink">频率范围</a>很少超过50MHZ。 磁珠有很高的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E9%98%BB%E7%8E%87/786893?fromModule=lemma_inlink">电阻率</a>和磁导率，等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。二极管、三极管、MOS管我们在大学课程中对其也有些了解，故略过。相信大家对TVS和ESD这两个东西应该很感兴趣，很多人甚至连听都没有听过，因为我在参加工作了接触具体项目才知道，这一部分书中讲解的很详细，我将书中内容贴上。</div>
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<div> 除此之外，第一章的内容还有实战案例讲解。这部分内容十分有趣，并不会枯燥。比如提出了实际应用中很常见的问题，电容为什么会啸叫？叫的烦死人了。书中很详细的给出了解答。并且还给出了抑制电容啸叫的方法。如下图片所示。</div>
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<div>下面是第二章的内容，在书中占了大量篇幅（P26-62），主要讲的是常用的电源架构。我觉得这样安排很是合理，讲电路那一定要说电源，离开了电源这电路那它啥也不是。那我们如何给电路分配安排合适的电源呢！接下来我们一一细说。（这里提到的电源，是低压直流模拟电源，电压最高不过12V。）</div>
<div><strong>1.常用的直流电源粗略来分有两大类：线性电源和</strong><a href="https://www.hqchip.com/app/1703"><strong>开关电源</strong></a><strong>。</strong></div>
<div>这种分类的标准在于，电源内部的主MOS管是工作在线性区还是饱和区/截至区：如果MOS管工作在线性区，则为线性电源；如果MOS管在饱和区和截至区不断切换，则称其为开关电源。线性电源的典型代表为<a href="https://www.hqchip.com/app/1700">LDO</a>（low dropout regulat<a href="https://www.hqchip.com/app/1716">or</a>);开关电源典型代表为<a href="https://www.elecfans.com/tags/dc/dc/">DC/DC</a>。</div>
<div>LDO是低压差<a href="https://www.hqchip.com/app/1700">线性稳压器</a>，顾名思义，他要求输出电压比输入电压值稍低。通常用的LDO都是输入比输出大不过1V的情况，也有个别的可以到2V以上。而LDO输出电压只能低于输入电压，而不能比输入高。</div>
<div>下图是某LDO的内部示意图。</div>
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<div> 主MOS管连接输入和输出端，通过反馈电路的动态调节，让输出电压跟随参考电压。这种结构也决定了LDO的特点：输出稳，发热高。因为MOS管工作在放大区，不存在切换状态开关的情况，因此输出电压不会存在波动，纹波极小。输入和输出的差值所产生的能量，全部转换成MOS管的热能散出去了。可想而知，压差越大，负载越重，发热越高。所以，即便很多LDO支持<a href="https://www.elecfans.com/v/tag/873/">高压</a>差输出，也不建议在高于1V的场景使用，会导致局部过热，影响电源寿命。</div>
<div><a href="https://m.hqchip.com/app/1703">DC</a>/DC字面意思就是直流转直流<a href="https://www.hqchip.com/app/1718">转换器</a>。主要细分三种：降压型buck、升压型boost、极性反转型buck-boost。</div>
<div>DCDC分类较多，这里就不赘述它的原理，只分析特点。DC/DC可以有升降压两种形态，当输出电压大于输入电压时，只能用DCDC；当压差较大时，也只能用DCDC。另外，由于内部MOS管不断在饱和区和截至区来回切换，以致于DCDC的电源噪声很大，纹波大，使用的时候要注意选取输出<a href="https://www.elecfans.com/tags/%E7%94%B5%E5%AE%B9/">电容</a>。</div>
<div><strong>2. 那么如何选择合适系统的电源呢？要根据系统和电源的特点来选取。</strong></div>
<div> 首先选择电源种类。LDO因为其特点，适用于输入输出相差不大的、负载不太重的（经验输出<a href="https://www.elecfans.com/tags/%E7%94%B5%E6%B5%81/">电流</a>500MA以下）、降压电路上。前两个限定词是在限制电源发热，后一个是电源本身根本做不到。如果满足了这三个特点，首选LDO，因为它的输出性能优秀，纹波小，噪声低。对于那种输入输出相差较大的、负载重的、升压系统中，只要占了其一，就只能选用DCDC。而使用DCDC的时候，输出端会常并一个104电容，稍微滤一下纹波。但由于本身特点决定，纹波性能如何优化也不会比LDO好，开关频率越高的<a href="https://www.hqchip.com/ask/">产品</a>，纹波干扰越大。</div>
<div>选定类型了，就要根据负载能吃多少电流来决定电源的<a href="https://www.hqchip.com/ic/0">规格</a>。计算的时候一定要留有余量。如果是主<a href="https://m.hqchip.com/app/1720">供电</a>源，一定要算好每一条支路的功耗总和，再折算到输入端计算功耗，需要注意的是，一定要把效率算上。电源在不同的应用环境中的效率不太一样，多数的DC/DC可以达到75%以上，有的做的更加优秀的平均效率可以到80%甚至85%以上。所以这时候一定要看好规格书里的<a href="https://www.hqchip.com/ic/0">参数</a>，最好是要看各种情况下的效率曲线，比干巴巴的数字要直观得多。</div>
<div> 举个例子，如图，中间级均为80%的DCDC，那么输入总电源待载能力至少为多少。</div>
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<div> 公布答案：至少要2A，1.5A是不够的。有问题欢迎留言讨论~</div>
<div><strong>3.电源的摆放和走线的注意事项</strong></div>
<div> 所有的电源，如果可以的话，尽量不要菊花链接法，尽量要从源端拉出来供电，就像上图第一条路径上的，经过12V和中间级DCDC两级电源才到负载。这样做法的效率会很低。当然，这个是说的尽量，有的电路可能是只能通过两级转换才能用的就另当别论了。在<a href="https://www.elecfans.com/v/tag/82/">PCB</a>布线上也是如此，同一个电源接多个负载的时候，尽量从输入端拉线，而不要从中间拉线。如下图所示，靠上的方案是正确的，靠下的不是最优的。</div>
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<div> 输入电容和输出电容对于DCDC和LDO也都是必须的，具体选型要根据厂家的规格书来看，并且尽量跟厂家沟通，因为他们才是最了解自己产品的，不要怕麻烦而不去沟通。而经验来看，在电源输入端摆放一颗104电容是有必要的，越近越好。</div>
<div> 电源的选型大概准则就介绍完了，具体项目还是要具体来看。选取型号一定要跟原厂沟通，即便你已经对原理了如指掌，但是他们的产品内部结构你并不清楚，还是要在沟通和实验中来确认产品是否符合你心中的预期。毕竟实践是检验真理的唯一标准。</div>
<div>书中还给出了许多电路，大家感兴趣也可以自己搭建电路（模拟仿真即可）感受一下。还有很多个实战讲解都有深究的必要性。</div>
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<div><strong>第三章的标题内容是模拟信号处理</strong></div>
<div><strong> </strong>ADC（Analog-to-Digital Converter）--模数转换器，是指将<a href="https://zhida.zhihu.com/search?q=%E8%BF%9E%E7%BB%AD%E5%8F%98%E9%87%8F&zhida_source=entity&is_preview=1">连续变量</a>的模拟信号转换为离散的数字信号的器件，比如将模温度感器产生的电信号转为控制芯片能处理的数字信号0101，这样ADC就建立了模拟世界的传感器和数字世界的信号处理与<a href="https://zhida.zhihu.com/search?q=%E6%95%B0%E6%8D%AE%E8%BD%AC%E6%8D%A2&zhida_source=entity&is_preview=1">数据转换</a>的联系。书中还涉及到信号与系统、通信原理的一些知识，傅里叶变换与信噪比，调制与解调的一些原理等，可以让没学过这部分理论知识的读者清晰明了的阅读与分析。这部分内容只有在实际应用中，亲自动手操作过，才能领悟其中的奥秘，理论指导实际，但一切最后都得从实际出发。给大家一个学习的方向也可以说是思路，用万能板搭建一个时间的温湿度采集电路，可以用STM32做主控，去淘宝可以买现成的模组也行，温湿度传感器DHT11也挺好用，将程序烧录进去，自己体会一下，再从各方面收集相关知识，会很容易的更进一步。</div>
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<div> <span style="color:#e74c3c;"> <strong> 做硬件从来不是说说那么简单，一步一步踏踏实实的，送给我自己，也送给各位读友。加油！</strong></span></div>
<p>从头到尾看完了，学到很多知识，感谢<img height="48" src="https://bbs.eeworld.com.cn/static/editor/plugins/hkemoji/sticker/facebook/wanwan88.gif" width="59" /></p>
感谢楼主发的文章，本人极不愿意看纸质书籍，因为书籍多了，不好搬动，因此电子数是一个选择，但本书尚未有电子书。 ew123 发表于 2024-9-20 15:03
感谢楼主发的文章，本人极不愿意看纸质书籍，因为书籍多了，不好搬动，因此电子数是一个选择，但本书尚未有 ...
<p>后面应该会有的吧</p>
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