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(yīng)， 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(jī)控制中的應(yīng)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(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(shè)計時要特別注意的地方
??? 在電路設(shè)計后， 為了進(jìn)行工作驗證， 需要組裝電路進(jìn)行實驗。但是結(jié)果會經(jīng)
常出現(xiàn)不按設(shè)計那樣工作。例如設(shè)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(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(dǎo)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(yīng)很敏感。因此在使用器件時要根據(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(yīng)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(shè)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(jī)、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(shè)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(shè)備的設(shè)計、生產(chǎn)和包
裝都要采取必要的措施。在設(shè)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(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） 為了抑制誤動作的發(fā)生率， 在控制端、輸出端應(yīng)做成低有效邏輯。
??? （ 5） 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(yùn)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(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） 。為了減小信號線和地線之間形成的環(huán)面積， 將信號接近地線
進(jìn)行布線。
??? （ 2） 使布線最短。要考慮信號線長度的分配， 設(shè)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(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。在無機(jī)殼地時也不應(yīng)該與邏輯地連接。對于扁平電纜可在信號線和
信號線之間加入地線。
開關(guān)電源用作模擬信號電源時應(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， 圖5所示的高頻噪聲就會進(jìn)入模擬
信號的頻帶內(nèi)， 使模擬信號的信/噪比變壞。雖然開關(guān)噪聲一般只是50?
100mVpp， 相當(dāng)小， 但由于模擬信號的動態(tài)范圍大， 這樣的噪聲經(jīng)常會產(chǎn)生問題。
特別是用于A/D變換器等機(jī)器中時， 當(dāng)在判斷變換時的電平時刻信號上重疊了
噪聲， 就會產(chǎn)生變換錯誤， 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)電源時注
意以下兩個方面：
??? （ 1） 開關(guān)電源的噪聲電平盡量小；
??? （ 2） 開關(guān)噪聲成分不進(jìn)入信號的頻帶內(nèi)。
??? 由于模擬信號的電平高， 開關(guān)噪聲對信號噪聲比就不會產(chǎn)生影響。為了使開
關(guān)噪聲不進(jìn)入信號頻帶， 最簡單的方法是選擇比模擬信號的最高頻帶更高開關(guān)頻
率的電源。
??? 在無法按上述辦法選擇時， 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的模擬電路， 當(dāng)使用這種低噪聲
開關(guān)電源時， 可以同時解決效率問題和噪聲問題。