03.基础电路设计(三)数位与类比电路设计技巧

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1、基礎電路設計(三)數位與類比電路設計技巧　高弘毅內容標題導覽：｜前言｜類比與數位技術的融合｜類比電路注意事項｜設計數位電路的注意事項｜　前言IC與LSI的功能大幅提升使得高壓電路與電力電路除外，幾乎所有的電路都是由半導體元件所構成，雖然半導體元件高速、高頻化時會有EMI的困擾，不過為了充分發揮半導體元件應有的性能，電路板設計與封裝技術仍具有決定性的影響。　類比與數位技術的融合由於IC與LSI半導體本身的高速化，同時為了使機器達到正常動作的目的，因此技術上的跨越競爭越來越激烈。雖然構成系統的電路未必有clock設計，但是毫無疑問的是系統的可靠度是建立在電子元件的選用、封裝技術、電路設計

2、與成本，以及如何防止噪訊的產生與噪訊外漏等綜合考量。機器小型化、高速化、多功能化使得低頻/高頻、大功率信號/小功率信號、高輸出阻抗/低輸出阻抗、大電流/小電流、類比/數位電路，經常出現在同一個高封裝密度電路板，設計者身處如此的環境必需面對前所未有的設計思維挑戰，例如高穩定性電路與吵雜(noisy)性電路為鄰時，如果未將噪訊入侵高穩定性電路的對策視為設計重點，事後反覆的設計變更往往成為無解的夢魘。類比電路與高速數位電路混合設計也是如此，假設微小類比信號增幅後再將fullscale5V的類比信號，利用10bitA/D轉換器轉換成數位信號，由於分割幅寬祇有4.9mV，因此要正確讀取該電壓l

3、evel並非易事，結果造成10bit以上的A/D轉換器面臨無法順利運作的窘境。另一典型實例是使用示波器量測某數位電路基板兩點相隔10cm的ground電位，理論上ground電位應該是零，然而實際上卻可觀測到4.9mV數倍甚至數十倍的脈衝噪訊(pulsenoise)，如果該電位差是由類比與數位混合電路的grand所造成的話，要測得4.9mV的信號根本是不可能的事情，也就是說為了使類比與數位混合電路順利動作，必需在封裝與電路設計有相對的對策，尤其是數位電路switching時，groundvancenoise不會入侵analogueground的防護對策，同時還需充分檢討各電路產生的電

4、流迴路(route)與電流大小，依此結果排除各種可能的干擾因素。以上介紹的實例都是設計類比與數位混合電路時經常遇到的瓶頸，如果是設計12bit以上A/D轉換器時，它的困難度會更加複雜。雖然電腦計算速度很快，不過包含身邊物理事象在內的輸入資料都是類比資料，因此必需透過電腦的A/D轉換器，將類比信號轉換成為數位資訊，不過類比的輸出信號level比數位信號低幾個位數，一旦遇到外部噪訊干擾時，類比信號會被噪訊蓋住，雖然類比在恆時微小變化量上具有非常重要的意義，不過若被外部噪訊掩蓋時就不具任何價值，尤其是溫度、濕度、壓力等類比量是類比信耗的基礎，它對微弱的類比電路具有決定性的影響。為配合數位機

5、器高速化的趨勢，今後對高速類比化技術的要求會越來越高。如圖1所示隨著數位高速化，數位信號也越來越近似類比信號波形，為了忠實傳送如此的信號必需使用類比式的思維來往處理，也就是說高速化時代數位設計者必需同時需兼具類比素養。　類比電路注意事項2是設計類比電路時必需注意得事項，除此之外電路圖上仍存有許無法描述的設計要素，會以導線形式、浮游容量等形態造成電路特性變動，為了確保電路的可靠性因此必需將這些設計要素充分納入電路設計、封裝設計與電路板設計。圖2設計高頻電路時主要檢討項目list(1).round並非零歐姆雖然一般的電路圖的接地(ground)阻抗都標示零歐姆，事實上電路pattern不

6、可能沒有阻抗(impedance)(圖3)，也就是說當電流流入電路pattern時必然會產生壓降現象，而該壓降卻是各種問題的根源。例如雙面電路板的送信端與收信端以兩點連接時，接地間的阻抗與大電流或是switching所產生的過渡電流，會造成兩點間發生電位差，如果該電壓成為噪訊電壓與信號重疊的話，就會導致誤差甚至使元件損壞，因此必需針對SN比進行有效的對策。　圖3電路pattern的阻抗(2).共通阻抗如第(1)項所述為了杜絕接地間產生電位差，單點接地設計成為數位類比混載電路常用的手法(圖4)，不過這種設計能夠處理的頻率有一定的限度，即使採用粗短導線pattern，但是當頻率超過數MH

7、z時就有可能進入發生問題的範圍，因此如何確實掌控接地線的電流與阻抗造成的壓降關係，成為設計上非常重要的課題。圖5是典型的電路pattern對策實例，雖然該對策具有充分的共通阻抗概念，不過還是存有許多困難點。由於betterground可大幅減少煩瑣的設計，因此最近高頻電路幾乎都是採用多層電路板。圖4單點ground電路圖5典型的共通阻抗電路設計類比數位混載電路時必需注意的是數位電路switching會產生過渡電流，由於過渡電流會流入復歸電路的接地端，為了防