基础电路设计(3)数字与模拟电路设计技巧.doc

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1、基础电路设计(三)数字与模拟电路设计技巧前言IC与LSI的功能大幅提升使得高压电路与电力电路除外，几乎所有的电路都是由半导体组件所构成，虽然半导体组件高速、高频化时会有EMI的困扰，不过为了充分发挥半导体组件应有的性能，电路板设计与封装技术仍具有决定性的影响。 模拟与数字技术的融合由于IC与LSI半导体本身的高速化，同时为了使机器达到正常动作的目的，因此技术上的跨越竞争越来越激烈。虽然构成系统的电路未必有clock设计，但是毫无疑问的是系统的可靠度是建立在电子组件的选用、封装技术、电路设计与成本，以及如何防止噪

2、讯的产生与噪讯外漏等综合考虑。机器小型化、高速化、多功能化使得低频/高频、大功率信号/小功率信号、高输出阻抗/低输出阻抗、大电流/小电流、模拟/数字电路，经常出现在同一个高封装密度电路板，设计者身处如此的环境必需面对前所未有的设计思维挑战，例如高稳定性电路与吵杂(noisy)性电路为邻时，如果未将噪讯入侵高稳定性电路的对策视为设计重点，事后反复的设计变更往往成为无解的梦魇。模拟电路与高速数字电路混合设计也是如此，假设微小模拟信号增幅后再将fullscale5V的模拟信号，利用10bitA/D转换器转换成数字信号

3、，由于分割幅宽祇有4.9mV，因此要正确读取该电压level并非易事，结果造成10bit以上的A/D转换器面临无法顺利运作的窘境。另一典型实例是使用示波器量测某数字电路基板两点相隔10cm的ground电位，理论上ground电位应该是零，然而实际上却可观测到4.9mV数倍甚至数十倍的脉冲噪讯(pulsenoise)，如果该电位差是由模拟与数字混合电路的grand所造成的话，要测得4.9mV的信号根本是不可能的事情，也就是说为了使模拟与数字混合电路顺利动作，必需在封装与电路设计有相对的对策，尤其是数字电路swi

4、tching时，groundvancenoise不会入侵analogueground的防护对策，同时还需充分检讨各电路产生的电流回路(route)与电流大小，依此结果排除各种可能的干扰因素。以上介绍的实例都是设计模拟与数字混合电路时经常遇到的瓶颈，如果是设计12bit以上A/D转换器时，它的困难度会更加复杂。虽然计算机计算速度很快，不过包含身边物理事象在内的输入数据都是模拟数据，因此必需透过计算机的A/D转换器，将模拟信号转换成为数字信息，不过模拟的输出信号level比数位信号低几个位数，一旦遇到外部噪讯干扰时

5、，模拟信号会被噪讯盖住，虽然模拟在恒时微小变化量上具有非常重要的意义，不过若被外部噪讯掩盖时就不具任何价值，尤其是温度、湿度、压力等模拟量是模拟信耗的基础，它对微弱的模拟电路具有决定性的影响。为配合数字机器高速化的趋势，今后对高速模拟化技术的要求会越来越高。如图1所示随着数字高速化，数字信号也越来越近似模拟信号波形，为了忠实传送如此的信号必需使用模拟式的思维来往处理，也就是说高速化时代数字设计者必需同时需兼具模拟素养。　 模拟电路注意事项2是设计模拟电路时必需注意得事项，除此之外电路图上仍存有许无法描述的设计要

6、素，会以导线形式、浮游容量等形态造成电路特性变动，为了确保电路的可靠性因此必需将这些设计要素充分纳入电路设计、封装设计与电路板设计。图2设计高频电路时主要检讨项目list(1).round并非零奥姆虽然一般的电路图的接地(ground)阻抗都标示零奥姆，事实上电路pattern不可能没有阻抗(impedance)(图3)，也就是说当电流流入电路pattern时必然会产生压降现象，而该压降却是各种问题的根源。例如双面电路板的送信端与收信端以两点连接时，接地间的阻抗与大电流或是switching所产生的过渡电流，会

7、造成两点间发生电位差，如果该电压成为噪讯电压与信号重迭的话，就会导致误差甚至使组件损坏，因此必需针对SN比进行有效的对策。　图3电路pattern的阻抗(2).共通阻抗如第(1)项所述为了杜绝接地间产生电位差，单点接地设计成为数字模拟混载电路常用的手法(图4)，不过这种设计能够处理的频率有一定的限度，即使采用粗短导线pattern，但是当频率超过数MHz时就有可能进入发生问题的范围，因此如何确实掌控接地线的电流与阻抗造成的压降关系，成为设计上非常重要的课题。图5是典型的电路pattern对策实例，虽然该对策具有

8、充分的共通阻抗概念，不过还是存有许多困难点。由于betterground可大幅减少烦琐的设计，因此最近高频电路几乎都是采用多层电路板。图4单点ground电路图5典型的共通阻抗电路设计模拟数字混载电路时必需注意的是数字电路switching会产生过渡电流，由于过渡电流会流入复归电路的接地端，为了防止该电流流入模拟电路的接地端，因此模拟电路与数字电路的接地端，通常会在入口处作单点接地设计