數(shù)字技術(shù)中的模擬電路技術(shù)
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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)低頻電路來說,無論誰組裝,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:
?。?)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。
?。?)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。
?。?)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。
?。?)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。
?。?)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。
?。?)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)。
?。?)電子電路及布線要遠(yuǎn)離放靜電的金屬機(jī)箱。
?。?)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。
?。?)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
模擬電路文章專題:模擬電路基礎(chǔ)
評(píng)論