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(xiàn)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(wèn)題。這樣就需要在數(shù)字電路中考慮布線(xiàn)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(xiàn)間電磁干擾的交調(diào)失真。而解決這問(wèn)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(chē)、火車(chē)、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(wèn)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(shuō)，無(wú)論誰(shuí)組裝，只要布線(xiàn)不接錯(cuò)，各種不同的安裝、布線(xiàn)、電路特性幾乎沒(méi)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(xiàn)就會(huì)形成電感成分(寄生)，如果有兩條線(xiàn)則在線(xiàn)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(wèn)題，但是在高頻領(lǐng)域卻不能忽略該C、L成分的影響(見(jiàn)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I(mǎi)C。

在電路圖中通常將電源、地線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)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(wèn)題;而數(shù)字電路中解決抗噪聲，通過(guò)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?chē)娜展鉄?、除塵器、無(wú)線(xiàn)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(mǎi)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I(mǎi)C、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(mén)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(guò)大的信號(hào)是很重要的。還要注意所用電容器的引線(xiàn)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(guò)渡脈沖，所以可通過(guò)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(mén)狗電路(監(jiān)視電路)。

(7)電子電路及布線(xiàn)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(jiàn)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(xiàn)所形成的環(huán)面積最小，應(yīng)使電源和地線(xiàn)盡量接近布線(xiàn)。在電源、地線(xiàn)之間安裝高頻旁路電容，使環(huán)面積減少(參見(jiàn)圖3)。為了減小信號(hào)線(xiàn)和地線(xiàn)之間形成的環(huán)面積，將信號(hào)接近地線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)。

(2)使布線(xiàn)最短。要考慮信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)度的分配，設(shè)計(jì)時(shí)將低有效信號(hào)線(xiàn)加長(zhǎng)，而將高有效信號(hào)線(xiàn)做成最短。(參見(jiàn)圖4)。各器件相互間的布線(xiàn)做成最短，并將連接在輸入輸出線(xiàn)上的器件安裝在端子的附近。

(3)使用多層線(xiàn)路板，這是在模擬電路及高速數(shù)字電路中覺(jué)見(jiàn)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(guò)高頻電流I，則電感L產(chǎn)生的壓降為：

V=L

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