數(shù)字技術(shù)中的模擬電路技術(shù)

數(shù)字技術(shù)中的模擬電路技術(shù)
由于數(shù)字電路是利用上升沿/下降沿很短的脈沖信號(hào)， 所以會(huì)向外部放出包括高
頻成分的多余電磁波（ 噪聲） ， 而且對(duì)外部來(lái)的電磁波（ 噪聲） 敏感地響應(yīng)， 造
成誤動(dòng)作。另外在電路內(nèi)部也存在線間產(chǎn)生交調(diào)失真、數(shù)字器件的通/斷時(shí)電流
急驟變化引起電源電壓變動(dòng)等問題。這樣就需要在數(shù)字電路中考慮布線的電感和
寄生電容構(gòu)成的分布常數(shù)電路、防止上沖、下沖造成波形的混亂及信號(hào)反射、延遲、衰減、線間電磁干擾的交調(diào)失真。而解決這問題的濾波器、屏蔽等都是模擬
技術(shù)。???? 由于數(shù)字電路技術(shù)在汽車、火車、收音機(jī)控制中的應(yīng)用， 高可靠性
地實(shí)現(xiàn)了以前用模擬技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高功能。但是由于噪聲會(huì)引起系統(tǒng)及電路誤
動(dòng)作， 尤其對(duì)機(jī)器為系統(tǒng)是致命的問題。而模擬電路即使有噪聲， 也只是暫時(shí)降
低數(shù)據(jù)的精度， 一旦噪聲消失， 就具有自我恢復(fù)功能的特征。因此將實(shí)現(xiàn)高功能
的數(shù)字電路和具有自我恢復(fù)/自我確認(rèn)能力的模擬電路組合應(yīng)用， 對(duì)防止移動(dòng)控
制系統(tǒng)、數(shù)字電路噪聲引起的誤動(dòng)作將會(huì)是一種安全的方案。
電路設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意的地方
??? 在電路設(shè)計(jì)后， 為了進(jìn)行工作驗(yàn)證， 需要組裝電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是結(jié)果會(huì)經(jīng)
常出現(xiàn)不按設(shè)計(jì)那樣工作。例如設(shè)計(jì)的放大器卻變成了振蕩器， 在模擬電路中由
于混入數(shù)字電路來(lái)的噪聲， 使模擬信號(hào)的波形失真、工作不穩(wěn)定、不能順利得到
數(shù)據(jù)。
??? 對(duì)低頻電路來(lái)說， 無(wú)論誰(shuí)組裝， 只要布線不接錯(cuò)， 各種不同的安裝、布線、
電路特性幾乎沒有差異， 可得到相同的數(shù)據(jù)。但是高頻卻不同了， 由于安裝方法
不同， 一般會(huì)得到不同特性的數(shù)據(jù)。
??? 在高頻電路及高速數(shù)字電路中， 如果有一條線就會(huì)形成電感成分（ 寄生） ，
如果有兩條線則在線間就會(huì)形成寄生電容成分及互感成分（ 寄生） ， 即所謂三寄
生。所形成的三寄生數(shù)值是很微小的， 因此在低頻時(shí)幾乎不成問題， 但是在高頻
領(lǐng)域卻不能忽略該C、L成分的影響（ 見圖la、b） 。
??? 最近為了提高機(jī)器的性能， 經(jīng)常將從低頻到高頻的模擬電路、高速數(shù)字電路、
微型模擬電路及大電流電路等各種電路混在一起， 這樣會(huì)造成電路的不穩(wěn)定及頻
率特性惡化。其中主要原因就是在設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮上述三寄生， 而無(wú)法維持可
靠性和安全性。
??? 另外， 電路圖中只用二維表現(xiàn)半導(dǎo)體器件及R、C、L的集中參數(shù)， 但這并
不能代表實(shí)際電路的性能和功能。實(shí)際的動(dòng)作是三維空間， 包括頻率就是四維空
間了。因此， 由交調(diào)失真、反射、靜電、電磁結(jié)合形成的微電流電路在高頻電路
中會(huì)對(duì)特性、功能造成影響。最近的IC 想根據(jù)時(shí)代的要求， 很多是高速動(dòng)作的
器件， 對(duì)高頻噪聲的響應(yīng)很敏感。因此在使用器件時(shí)要根據(jù)電路功能選擇相應(yīng)的
元器件， 盡量避免使用高于要求的高速IC。
??? 在電路圖中通常將電源、地線、信號(hào)線的阻抗均按零歐姆考慮的。但是實(shí)際
上是不存在零歐姆的， 而且頻率越高， 電感和寄生電容的影響越大。結(jié)果， 電路
相互結(jié)合及外部電磁場(chǎng)的影響大到不能忽略的程度， 造成電路不穩(wěn)定及頻率特性惡化。在模擬電路中應(yīng)解決誤差、噪聲及時(shí)間延遲問題； 而數(shù)字電路中解決抗噪
聲， 通過同步使之不受時(shí)間延遲的影響， 對(duì)改善電路特性是非常重要的。
必須注意動(dòng)態(tài)噪聲“靜電”的影響
??? 能引起電氣設(shè)備誤動(dòng)作的噪聲源很多， 例如我們周圍的日光燈、除塵器、無(wú)
線電收發(fā)信機(jī)、變壓器、變換器等。這些都是屬于電磁場(chǎng)噪聲源。除此之外， 引
起誤動(dòng)作的噪聲源是靜電放電。
??? 由于靜電放電電流和瞬間產(chǎn)生的高電壓會(huì)使IC 破壞， 從而使系統(tǒng)或設(shè)備造
成誤動(dòng)作和故障。為了防止靜電放電， 從元器件的購(gòu)買到設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和包
裝都要采取必要的措施。在設(shè)計(jì)方面可以采取以下措施：
??? （ 1） 避免使用超出要求的高速IC、特別是注意輸入電路。在可能的情況下
輸入電路采用差分方式。濾波電路要緊靠IC 連接。
??? （ 2） 對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行輸入保護(hù)。在連接器的輸入部分為了使噪聲控制在半導(dǎo)
體耐壓值以下而加入限幅電路。由于CMOS 柵極抗靜電噪聲性能弱， 所以不易
用于連接器的輸入部分。
??? （ 3） 避免使用邊沿解發(fā)型IC， 而使用選通方式或帶門閂的電路。
??? （ 4） 為了抑制誤動(dòng)作的發(fā)生率， 在控制端、輸出端應(yīng)做成低有效邏輯。
??? （ 5） 對(duì)高靈敏度的信號(hào)輸入要進(jìn)行濾波。將頻帶外的高頻濾除， 這對(duì)運(yùn)算
放大器不輸入過大的信號(hào)是很重要的。還要注意所用電容器的引線電感。
??? （ 6） 在軟件方面也要采取了一些措施。由于靜電放電是一次性過渡脈沖，
所以可通過多次校驗(yàn)檢出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。在微機(jī)中為了防止意外停止而設(shè)置看門狗電
路（ 監(jiān)視電路） 。
??? （ 7） 電子電路及布線要遠(yuǎn)離放靜電的金屬機(jī)箱。
??? （ 8） 機(jī)箱的金屬和金屬連接部分要除去涂料緊密相接， 盡可能加螺釘固定。
??? 為了減少由放電電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)影響， 在印制電路板上應(yīng)該采取如下措施：
??? （ 1） 減少環(huán)面積（ 參見圖2） 。

??? 在所形成的環(huán)中由于磁通交聯(lián)， 會(huì)在該環(huán)中感應(yīng)電流， 環(huán)的面積越大磁通交
聯(lián)的越多， 感應(yīng)的電流也就越大。因此為了使電源、地線所形成的環(huán)面積最小，
應(yīng)使電源和地線盡量接近布線。在電源、地線之間安裝高頻旁路電容， 使環(huán)面積
減少（ 參見圖3） 。為了減小信號(hào)線和地線之間形成的環(huán)面積， 將信號(hào)接近地線
進(jìn)行布線。
??? （ 2） 使布線最短。要考慮信號(hào)線長(zhǎng)度的分配， 設(shè)計(jì)時(shí)將低有效信號(hào)線加長(zhǎng)，
而將高有效信號(hào)線做成最短。（ 參見圖4） 。各器件相互間的布線做成最短， 并
將連接在輸入輸出線上的器件安裝在端子的附近。
??? （ 3） 使用多層線路板， 這是在模擬電路及高速數(shù)字電路中覺見的。
??? 在高速數(shù)字電路中， 脈沖信號(hào)的頻譜具有非常寬范圍的高次諧波成分。使用
的工作頻率越高， 受寄生電容、電感的影響越大。假設(shè)具有電感L的圖形上流
過高頻電流I， 則電感L產(chǎn)生的壓降為：
??? V=L·di/dt
??? 該圖形就像一個(gè)天線， 將輻射噪聲發(fā)送出去。將地線做成面可減少地線的阻
抗， 降低放電電流產(chǎn)生的電壓降。
??? 對(duì)接口電纜應(yīng)采取防靜電措施：
??? 電纜的屏蔽線兩端連接在機(jī)殼上。在可能產(chǎn)生地線環(huán)的地方為使高頻短路而
加旁路電容。在無(wú)機(jī)殼地時(shí)也不應(yīng)該與邏輯地連接。對(duì)于扁平電纜可在信號(hào)線和
信號(hào)線之間加入地線。
開關(guān)電源用作模擬信號(hào)電源時(shí)應(yīng)注意的問題
??? 所謂開關(guān)電源是通過脈沖調(diào)制方式穩(wěn)定輸出電壓的電源電路形式。這種方式
由于只是開關(guān)部分消耗功率， 所以開關(guān)速度越快電源的效率越高， 因此一般使用
高速開關(guān)器件。這種電源由于效率高， 從大功率的機(jī)器到小型輕量的機(jī)器應(yīng)用非
常廣泛。但是伴隨著高速開關(guān)動(dòng)作而存在著開關(guān)噪聲漏出的缺點(diǎn)， 這種用作模擬
電路的電源， 將會(huì)產(chǎn)生很多問題。
??? 將開關(guān)電源用作模擬電路的電源使用時(shí)， 圖5所示的高頻噪聲就會(huì)進(jìn)入模擬
信號(hào)的頻帶內(nèi)， 使模擬信號(hào)的信/噪比變壞。雖然開關(guān)噪聲一般只是50?
100mVpp， 相當(dāng)小， 但由于模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大， 這樣的噪聲經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生問題。
特別是用于A/D變換器等機(jī)器中時(shí)， 當(dāng)在判斷變換時(shí)的電平時(shí)刻信號(hào)上重疊了
噪聲， 就會(huì)產(chǎn)生變換錯(cuò)誤， 從而得不到預(yù)期的精度。

??? 為了解決在模擬電路中使用開關(guān)電源存在的問題， 可以在選擇開關(guān)電源時(shí)注
意以下兩個(gè)方面：
??? （ 1） 開關(guān)電源的噪聲電平盡量??；
??? （ 2） 開關(guān)噪聲成分不進(jìn)入信號(hào)的頻帶內(nèi)。
??? 由于模擬信號(hào)的電平高， 開關(guān)噪聲對(duì)信號(hào)噪聲比就不會(huì)產(chǎn)生影響。為了使開
關(guān)噪聲不進(jìn)入信號(hào)頻帶， 最簡(jiǎn)單的方法是選擇比模擬信號(hào)的最高頻帶更高開關(guān)頻
率的電源。
??? 在無(wú)法按上述辦法選擇時(shí)， 就必須想辦法減少電源產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。這些方
法包括：
??? （ 1） 在外部增加電容器。
??? （ 2） 通過外部電源產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。
??? （ 3） 并用系列調(diào)節(jié)器。
??? 圖6是低噪聲開關(guān)電源的電路例子。該電源的變壓器用了3個(gè)繞組， 在繞組
間可以清除噪聲。這種電源是可使用在通過傳輸線路供給電力的通信機(jī)的高效率
電源。通信機(jī)的接收部分是利用電感非常低信號(hào)的模擬電路， 當(dāng)使用這種低噪聲
開關(guān)電源時(shí)， 可以同時(shí)解決效率問題和噪聲問題。