數字技術(shù)中的模擬電路技術(shù)

　　由于數字電路是利用上升沿/下降沿很短的脈沖信號，所以會(huì )向外部放出包括高頻成分的多余電磁波（噪聲），而且對外部來(lái)的電磁波（噪聲）敏感地響應，造成誤動(dòng)作。另外在電路內部也存在線(xiàn)間產(chǎn)生交調失真、數字器件的通/斷時(shí)電流急驟變化引起電源電壓變動(dòng)等問(wèn)題。這樣就需要在數字電路中考慮布線(xiàn)的電感和寄生電容構成的分布常數電路、防止上沖、下沖造成波形的混亂及信號反射、延遲、衰減、線(xiàn)間電磁干擾的交調失真。而解決這問(wèn)題的濾波器、屏蔽等都是模擬技術(shù)。 　　由于數字電路技術(shù)在汽車(chē)、火車(chē)、收音機控制中的應用，高可靠性地實(shí)現了以前用模擬技術(shù)無(wú)法實(shí)現的高功能。但是由于噪聲會(huì )引起系統及電路誤動(dòng)作，尤其對機器為系統是致命的問(wèn)題。而模擬電路即使有噪聲，也只是暫時(shí)降低數據的精度，一旦噪聲消失，就具有自我恢復功能的特征。因此將實(shí)現高功能的數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(dòng)控制系統、數字電路噪聲引起的誤動(dòng)作將會(huì )是一種安全的方案。
電路設計時(shí)要特別注意的地方

　　在電路設計后，為了進(jìn)行工作驗證，需要組裝電路進(jìn)行實(shí)驗。但是結果會(huì )經(jīng)常出現不按設計那樣工作。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字電路來(lái)的噪聲，使模擬信號的波形失真、工作不穩定、不能順利得到數據。

　　對低頻電路來(lái)說(shuō)，無(wú)論誰(shuí)組裝，只要布線(xiàn)不接錯，各種不同的安裝、布線(xiàn)、電路特性幾乎沒(méi)有差異，可得到相同的數據。但是高頻卻不同了，由于安裝方法不同，一般會(huì )得到不同特性的數據。

　　在高頻電路及高速數字電路中，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）。

　　最近為了提高機器的性能，經(jīng)常將從低頻到高頻的模擬電路、高速數字電路、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 )造成電路的不穩定及頻率特性惡化。其中主要原因就是在設計時(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半導體器件及R、C、L的集中參數，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，由交調失真、反射、靜電、電磁結合形成的微電流電路在高頻電路中會(huì )對特性、功能造成影響。最近的IC想根據時(shí)代的要求，很多是高速動(dòng)作的器件，對高頻噪聲的響應很敏感。因此在使用器件時(shí)要根據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I(mǎi)C。

　　在電路圖中通常將電源、地線(xiàn)、信號線(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。結果，電路相互結合及外部電磁場(chǎng)的影響大到不能忽略的程度，造成電路不穩定及頻率特性惡化。在模擬電路中應解決誤差、噪聲及時(shí)間延遲問(wèn)題；而數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、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，從而使系統或設備造成誤動(dòng)作和故障。為了防止靜電放電，從元器件的購買(mǎi)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：

　?。?）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。

　?。?）對半導體進(jìn)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。

　?。?）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。

　?。?）為了抑制誤動(dòng)作的發(fā)生率，在控制端、輸出端應做成低有效邏輯。

　?。?）對高靈敏度的信號輸入要進(jìn)行濾波。將頻帶外的高頻濾除，這對運算放大器不輸入過(guò)大的信號是很重要的。還要注意所用電容器的引線(xiàn)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(guò)渡脈沖，所以可通過(guò)多次校驗檢出錯誤數據。在微機中為了防止意外停止而設置看門(mén)狗電路（監視電路）。

　?。?）電子電路及布線(xiàn)要遠離放靜電的金屬機箱。

　?。?）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(chǎng)影響，在印制電路板上應該采取如下措施：

　?。?）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(xiàn)所形成的環(huán)面積最小，應使電源和地線(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）。為了減小信號線(xiàn)和地線(xiàn)之間形成的環(huán)面積，將信號接近地線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)。

　?。?）使布線(xiàn)最短。要考慮信號線(xiàn)長(cháng)度的分配，設計時(shí)將低有效信號線(xiàn)加長(cháng)，而將高有效信號線(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。

　?。?）使用多層線(xiàn)路板，這是在模擬電路及高速數字電路中覺(jué)見(jiàn)的。

　　在高速數字電路中，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(guò)高頻電流I，則電感L產(chǎn)生的壓降為：

　　V=L