MCU最小系统原理图中四个问题详解——芯片中有很多电源管脚的原因（VDD/VSS/VBAT）、LC滤...

1万 · 2024-1-19 19:22

本文以GD32F103C8T6最小系统原理图举例，如下图所示

芯片中有很多电源管脚的原因（VDD/VSS/VBAT）
芯片中有很多的电源管脚（VDD/VSS/VBAT），简而言之，原因如下：芯片作为一个大水池，水池很大，要放满水的时候，比如只在一个地方给它供水，水就会从这个地方开始慢慢扩散出去，那么势必会造成这个供水的不均匀，那比如说多搞几个水管，四面八方往里面加水，这个时候很显然要比一个水管往里面加水要均匀，水位就会均匀上升。同时，每个电源管脚都会有滤波（水桶作用）。

如下图芯片有四对VDD和VSS，还有一个VBAT。每一个电源管脚外面都会有滤波。

芯片中具有多个电源管脚（如VDD、VSS、VBAT等）的具体原因有如下几点：

1. 供电稳定性：芯片中的不同功能模块可能需要不同的电压供应以确保正常的工作。通过拥有多个电源管脚，可以根据芯片内部的电路结构和工作特性，为各个功能模块提供稳定的且适当的电压。

2. 隔离干扰：通过将不同功能模块的电源引脚分开，可以减少模拟和数字电路之间的相互影响。例如，模拟信号处理部分可能需要更为洁净和稳定的电源，而数字逻辑部分则可能对供电的要求不那么严格。

3. 备用电源：一些芯片可能需要备用电源以确保关键功能的可靠性。例如，某些芯片可能具有备用电池电源(VBAT)，以备份实时时钟或其他持续运行的功能。

4. 热功耗分布：将电源引脚分布在芯片不同位置可以帮助均匀分布芯片的热功耗，有助于在整个芯片表面上实现均匀的温度分布，提高芯片的散热效率。

因此，为了满足不同功能模块的电源需求、减少相互干扰、提高抗干扰能力、提高芯片的可靠性和稳定性，芯片通常会设计多个供电引脚。

两级滤波
两级滤波通常是指在信号处理电路中使用两个滤波器级联以实现更高效的滤波效果。两级滤波的设计可以帮助进一步滤除特定频率范围内的噪声或干扰，同时保留所需的信号成分。

在两级滤波中，通常每个滤波器都有不同的滤波特性和频率响应，这样可以针对特定频率范围内的信号进行精细的处理。第一级滤波器可能用于粗略地滤除大部分不需要的频率成分，而第二级滤波器则可以更精细地调整滤波效果，使得输出信号更加符合要求。

常见的两级滤波结构可以使用各种类型的滤波器，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器或带阻滤波器。这些滤波器可以利用电容器、电感器、操作放大器等元件来构建。每个级别的滤波器都可以根据设计需求调整其截止频率、斜率和增益等参数，以实现所需的滤波效果。

通过两级滤波器的级联设计，可以实现更复杂和更精细的滤波效果，例如对特定频率范围内的信号进行更为准确的调节和控制。这种设计常用于需要高质量信号处理的应用中，如音频处理、通信系统、传感器信号处理等领域。

当使用两级滤波器时，通常会在信号处理电路中将两个滤波器级联连接起来。具体的设计方法和电路结构可以根据滤波需求而定，以下是一些常见的两级滤波器配置：

1. 串联配置：在这种配置中，第一个滤波器的输出与第二个滤波器的输入相连接。这样可以实现级联滤波的效果，第一个滤波器将粗略地滤除一部分噪声或干扰信号，而第二个滤波器则可以对第一个滤波器滤波后的信号进行进一步精细调节。

2. 并联配置：在这种配置中，输入信号同时经过两个滤波器，然后将两个滤波器的输出信号相加。这种并联配置可以在不同的滤波器里实现不同的频率响应，从而提供更广泛的滤波特性。这种配置常用于对多个频率成分的独立滤波要求的情况。

无论采用哪种配置方式，常见的滤波器类型包括RC滤波器（使用电阻和电容器）和RL滤波器（使用电阻和电感器）等。根据具体应用需求，可以选择合适的滤波器类型和元件数值，并进行相应的电路设计和调整。

两级滤波器的设计需要考虑信号频率范围、所需的滤波特性、滤波器的增益和相位响应等因素。此外，还应注意电路中的干扰、失真和带宽限制等问题，以确保滤波器的性能和稳定性。对于复杂或高要求的滤波任务，建议参考相关的滤波器设计方法和专业的电子电路设计指导。

LC滤波
如下图，引脚9 VDDA 外接一个LC滤波，该LC滤波由一个电感L1( 3.3 uF)，和两个电容C7（1uf）和C6（10nf）并联构成。注意：有电容都需要接地GND

LC滤波是一种使用电感量L和电容量C来滤除特定频率成分的滤波器。它利用电感和电容的反馈、储能和阻抗特性来实现滤波效果。

最常见的LC滤波器类型包括带通滤波器和带阻滤波器：

带通滤波器（LC串联滤波器）：带通滤波器允许特定频率范围内的信号通过，而阻塞其它频率范围的信号。在LC串联滤波器中，电感器和电容器串联连接，形成一个谐振回路。该回路提供低阻抗通路，使得特定频率的信号能够通过，而阻断其他频率的信号。

带阻滤波器（LC并联滤波器）：带阻滤波器则是在特定频率范围内阻断信号的传输。在LC并联滤波器中，电感器和电容器并联连接，形成一个谐振回路。该回路在特定频率附近提供高阻抗，导致信号被阻断或衰减。

LC滤波器的滤波特性由电感和电容的数值和选择决定。具体的滤波特性（如截止频率、阻带频率、通带或阻带衰减等）可以通过调整电感和电容的数值来实现。

需要注意的是，LC滤波器可能需要进行适当的阻尼或衰减措施，以防止谐振或不稳定的情况发生。此外，LC滤波器也可能受到电感和电容元件的耦合、失真和带宽限制等影响。因此，在设计和应用LC滤波器时，需要遵循相关的电路设计原则和实践经验，并根据具体需求选择合适的元件和参数。

LC滤波器在电子电路中有着广泛的应用，常见的应用包括射频接收机、调频（FM）解调器、无线通信系统、音频设备等领域。

在射频接收机中，LC滤波器通常用于接收前端的频率选择，以滤除不需要的频率成分并选择特定频率范围内的信号。在调频解调器中，LC滤波器可用于从频谱信号中滤除噪音和杂散信号，使得解调后的音频信号更清晰。在无线通信系统中，LC滤波器可以用于选择特定通信频段并滤除其他频率干扰，以提高通信质量和可靠性。在音频设备中，LC滤波器常用于音频信号的前置处理，以改善音频频率响应和滤除噪音。

除了上述应用外，LC滤波器还可以用于振荡电路的频率稳定和选择，以及其他需要对特定频率成分进行选择或滤除的场合。

在实际设计中，通常需要考虑LC滤波器的频率特性、阻抗匹配、稳定性、元件选型和布局等因素。此外，滤波器的Q值（品质因数）也是一个重要的参考参数，它反映了滤波器的频率选择特性和损耗水平。对于高性能要求的应用，可能需要进行频率响应测试、仿真分析和电路优化，以确保滤波器的性能符合设计要求。

总的来说，LC滤波器是一种常用而重要的滤波器类型，可以在多种场合中发挥作用，满足对特定频率成分进行滤除或选择的需求。

NC可切换元件
NC（Normally Closed），用于描述可切换的电子元件。这些元件在未施加外部信号时处于关闭的状态，暂时不通电。

例如，NC可切换电阻是一种具有两个连接端口和一个可切换终端的电阻器。当不施加外部信号时，切换终端与一个连接端口相连，形成一个电阻路径，电流流经该路径。当施加外部信号时，切换终端会切换到另一个连接端口，改变电路的电阻路径，从而改变电流流动的路径和特性。

NC可切换元件在电子电路中常用于开关、继电器、传感器和其他需要可控制连接和断开的元件。通过控制外部信号，可以切换这些元件的状态，以实现不同的功能或控制电路的操作。

在焊接NC可切换元件时，同样需要进行正确的连接和标记，以确保元件连接到正确的位置，并符合设计要求。焊接过程中的仔细检查和测试也是必要的，以确保元件的正常切换和电路的功能。

如下图中，PA12和PA11，分别接了NC可进行切换电阻，NC是默认暂时不焊接的意思，如果焊接可能电阻电路会产生不一样的功能。