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，所以會向外部放出包括高頻成分的多余電磁波（噪聲），而且對外部來的電磁波（噪聲）敏感地響應，造成誤動作。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/斷時電流急驟變化引起電源電壓變動等問題。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、收音機控制中的應用，高可靠性地實現(xiàn)了以前用模擬技術(shù)無法實現(xiàn)的高功能。但是由于噪聲會引起系統(tǒng)及電路誤動作，尤其對機器為系統(tǒng)是致命的問題。而模擬電路即使有噪聲，也只是暫時降低數(shù)據(jù)的精度，一旦噪聲消失，就具有自我恢復功能的特征。因此將實現(xiàn)高功能的數(shù)字電路和具有自我恢復/自我確認能力的模擬電路組合應用，對防止移動控制系統(tǒng)、數(shù)字電路噪聲引起的誤動作將會是一種安全的方案。

電路設計時要特別注意的地方 
　　在電路設計后，為了進行工作驗證，需要組裝電路進行實驗。但是結(jié)果會經(jīng)常出現(xiàn)不按設計那樣工作。例如設計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，使模擬信號的波形失真、工作不穩(wěn)定、不能順利得到數(shù)據(jù)。

　　對低頻電路來說，無論誰組裝，只要布線不接錯，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，如果有一條線就會形成電感成分（寄生），如果有兩條線則在線間就會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，因此在低頻時幾乎不成問題，但是在高頻領域卻不能忽略該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計時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)半導體器件及R、C、L的集中參數(shù)，但這并不能代表實際電路的性能和功能。實際的動作是三維空間，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對特性、功能造成影響。最近的IC想根據(jù)時代的要求，很多是高速動作的器件，對高頻噪聲的響應很敏感。因此在使用器件時要根據(jù)電路功能選擇相應的元器件，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、信號線的阻抗均按零歐姆考慮的。但是實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。在模擬電路中應解決誤差、噪聲及時間延遲問題；而數(shù)字電路中解決抗噪聲，通過同步使之不受時間延遲的影響，對改善電路特性是非常重要的。

必須注意動態(tài)噪聲“靜電”的影響 
　　能引起電氣設備誤動作的噪聲源很多，例如我們周圍的日光燈、除塵器、無線電收發(fā)信機、變壓器、變換器等。這些都是屬于電磁場噪聲源。除此之外，引起誤動作的噪聲源是靜電放電。

　　由于靜電放電電流和瞬間產(chǎn)生的高電壓會使IC破壞，從而使系統(tǒng)或設備造成誤動作和故障。為了防止靜電放電，從元器件的購買到設備的設計、生產(chǎn)和包裝都要采取必要的措施。在設計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）對半導體進行輸入保護。在連接器的輸入部分為了使噪聲控制在半導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）為了抑制誤動作的發(fā)生率，在控制端、輸出端應做成低有效邏輯。 
    （5）對高靈敏度的信號輸入要進行濾波。將頻帶外的高頻濾除，這對運算放大器不輸入過大的信號是很重要的。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檢出錯誤數(shù)據(jù)。在微機中為了防止意外停止而設置看門狗電路（監(jiān)視電路）。

    （7）電子電路及布線要遠離放靜電的金屬機箱。 
    （8）機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)生的電磁場影響，在印制電路板上應該采取如下措施： 
    （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)，會在該環(huán)中感應電流，環(huán)的面積越大磁通交聯(lián)的越多，感應的電流也就越大。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）。為了減小信號線和地線之間形成的環(huán)面積，將信號接近地線進行布線。

    （2）使布線最短。要考慮信號線長度的分配，設計時將低有效信號線加長，而將高有效信號線做成最短。（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