電路設計、整合與精通

公差堆疊(tolerance stack-up)

想像四個人各自把一塊木板裁成一公尺,每人都容許差一公分。把四塊板首尾相接,總長可能短或長四公分——這些小誤差不會互相抵消,而是疊加起來。公差堆疊在電路裡正是如此:每個真實零件都跟它標示的數值差一點點,而當好幾個不完美的零件一起運作,它們各自的誤差就累積成最終結果中更大的誤差。整體可能比任何單一零件所暗示的還要鬆散。

拿一個本該輸出輸入一半的分壓器來說:兩顆 10 kilohm 電阻。若每顆是 1 percent 公差,比值就不會恰好是 0.5。最壞情況下一顆偏高、另一顆偏低,所以輸出可能差到大約兩個公差之和。再加上電阻隨溫度漂移、參考電壓有點偏、運放本身的失調,你就得到一份誤差預算——把每個貢獻者列成清單。誠實的加法有兩種:最壞情況把各量值直接相加(悲觀,假設所有誤差都跟你作對,簡單又安全),而方均根則以平方相加,sqrt(e1^2 + e2^2 + ...),這在統計上較貼近現實,因為它們很少同時全部對齊。

這之所以重要,是因為精密就是這樣悄悄死掉的。一個挑了 1 percent 零件、就假設結果準到 1 percent 的設計者,會在工作台上踢到鐵板。解方是:及早建立誤差預算;在主導誤差的那一處用一個精密零件(一個 0.1 percent 的參考),而非到處灑精密;選一個讓誤差互相抵消的比例式拓樸;或對成品做校正。知道誤差究竟從哪裡來,就能準確告訴你哪一個零件值得花錢——以及哪十幾個零件可以買便宜的。

一個由兩顆 1 percent 電阻組成的分壓器,餵給一個本身偏 0.5 percent 的參考,再被一個有 0.2 percent 增益誤差的轉換器讀取。最壞情況下誤差加總約為 1 + 1 + 0.5 + 0.2 = 2.7 percent。方均根則給出 sqrt(1^2 + 1^2 + 0.5^2 + 0.2^2)、約 1.5 percent——較貼近現實,但不是保證。

小誤差不會抵消,而是疊加。在工作台給你驚嚇之前,先把它們列入預算。

方均根貼近現實,但只是統計性的——在大量生產中,確實會有少數件逼近最壞情況。若失效不可接受,請依最壞情況之和來設計,而非方均根。

又称
tolerance accumulationerror budget誤差預算公差累積