何一个电压都可能悬空，这个电压可能在门的阔值变换范围内D此处P沟道和N沟道输入的晶体管正处于导通，这样会导致多余的电流泄漏进封装。由于缓冲门的高增益，门很可能达到振荡，导致更高的泄漏电流。
图2-1 连接未用的输入端
CMOS输入可以直接连到任一个电源域；只要电源不希望带有超过最大输入电压的噪声 尖峰脉冲，保护电阻就不需要了。
2.2 接口
2.2.1模数混合
必须把模拟和数字电路集成在一个印制电路板上的设计人员面临的两个主要问题是: ·防止数字开关噪声污染模拟信号
·较宽范围的模拟输入电压与数字电路的接口
由数字信号产生模拟信号通常不是问题。从模拟信号产生数字信号就是个问题了。
接地噪声
高频开关噪声无论如何都要防止进入模拟电路。模-数接口把一个可变的模拟信号量化成一个数字字节，字节的位数决定了信号获得的分辨能力。假设电压范围的满度是从0-10 V，一些模-数转换器(AC)的典型值就是这样，表2.1所示数字字节的 一比特变化相对应的电压电平的值。
表2.1 10V满度的ADC不同字节长度对应的处理电压大小 字节长度 分辨电压 8比特 39mV 10比特 1mV 12比特 2.4mV 14比特 0.6mV 16比特 0.15mV
从中可以看出，接口要分辨的位数越多，每比特改变所需的电压越小。在ADC电路里，8比特看做是普通的，12比特是较高的处理(0.025%)，16比特看做是高精度的。这些逐渐减少的电平的意义在于祸合进模拟输入的任何噪声将引起数字不可预料的变化。对于12比特的转换器，转换器输入端的2.4mV的噪声将引起一比特的不稳定；对于16 比特将减少到150μV。相对照来说，在数字地线上的开关噪声通常为几十毫伏，通常的峰值为几百毫伏。如果噪声耦合进转换器的输入端(输入必须防止地噪声)就不能采用比8-10比特更高精度的转换器。
滤波
这个问题的局部解决方案是使模拟信号的带宽低于噪声，以至于减少有效的噪声信号。 对慢变化的模拟信号来说，这相当有道理，特别是如果噪声进入发生在信号处理放大器的输 入端，那么带宽的限制就会影响最大。滤波是任何情况下，使外部噪声信号最小化比较好的 经验。
如果噪声进入ADC本身，对输入放大器滤波就没有用。对于快速ADC和宽带模拟信号，不能随意采用这个方法，惟一可用的方法就是在源端就防止数字噪声的进入。
隔离
设计模-数接口采用的基本原则就是完全隔离电路，包括地。意思就是: ·隔离模拟和数字地，只连于一点。
·电路的模拟和数字部分应物理上隔离，没有数字线与模拟部分交叉或反过来。这会使电路间的串扰最小化。 正确评价来说，不同的接地方案没有哪个是最好的，因为电路总是穿过不同的接地区传 送信号。那么这些信号特别地面临外部和内部干扰的细微差别，或者事实上可能是这个原 因。应该总是努力根据带宽和敏感性设计低冒险的电路，或对所有的电路(模拟和数字的)保证单个的接地系统，在布线上特别注意，要使在来自系统有噪声部分的接地噪声不会传播 到其他敏感部分。
单板系统
对单板系统和多板系统适合的接地方案如图2-2所示。如果系统有单个的模一数转换器，也许在几个模拟输入采用一个多路选择器，那么在AC处的模拟和数字地之间的连接可以做成如图2-2 (a)所示。这个方法要求模拟和数字电源回路任何地方都不能连在一 起，所以需要两个分离的供电电源电路。模拟和数字地尽管通常处于同样的电位，但是它们必须看做完全分离的印制线;那么围绕在数字地周围的不可避免的噪声电流就不会耦合进“干净”的模拟地内了。数字地应是栅格的或地平面结构，然而模拟部分受益于单点接地系统，或本身有个独立的地面。千万不要延伸数字地到板上模拟部分，因为这样从一个地到另一个地会有电容耦合。
图2-2 分离的模拟和数字地的布局
2.2.2从模拟输入产生的数字电平
当你想用一个变化的模拟电压产生一个开/关的数字信号时的首要原则(区别模-数转 换)是:总是采用比较器或施密特触发器门。不要把一个模拟信号直接送入普通的TTL或CMOS门的输入端。
原因是普通的门没有定义输入电压的开关阙值。不只是这个，它们也是慢上升时间输入的非常关键的因素。没有几个模拟输入信号有通常快于5V/us间的转换速率，要求从普通的
逻辑门产生一个纯净的输出口对逻辑门采用慢模拟电压的结果如图2-3所示。
施密特触发器门，或带有迟滞的比较器可以解决慢上升时间的问题。施密特触发器门与普通门具有相同的输出特性，但是它含有以保证快速转换的输入迟滞现象。施密特触发器件的阀值，如74HC14，是在较宽的容差范围内规定的，所以不能克服实际开关位置的变化性。当相对于高或低状态的模拟电平可以分别保持在VIH之上和VIL之下，那么一个触发器就够了。为了更加精确，希望使用一个带精确指定参考电压的比较器。
图2-3 逻辑门慢速输入的影响
其次，如果模拟电源线大于数字电源范围，那么模拟信号直接连到逻辑输入将会给门造 成危险。甚至如果正常的信号范围在逻辑电源范围内，这也可能发生；不正常情况如开启或 关闭可能超过这个范围。当然，这也是施密特触发器门具有的问题。通常，输入由电源和接 地的箝位二极管进行保护，但是其中的电流必须限制在一个安全的值，所以输入的电阻串联 是有必要的。更多限制输入电压的正确步骤，如从与逻辑部分同一个电源电压运行模拟部分(注意前面关于分离数字和模拟地的建议)是首先要考虑的。
防止反冲开关输入
从表面上看，数字电路的开关输入肯定是接口里最容易的。所有应该需要的是输入口或门，一个上拉电阻和一个单极开关(参见图2-4)。尽管这个电路的确是工作的，但因为开关的机电本性以及逻辑器件的速度，它趋于一个严重的问题。
图2-4 触点反弹
当开关触点动作时，电流没有被简单触发或被中断。当触点接触或部分接触时，由于污 染，瞬间的接触电阻改变，由于材料的弹性，反向的表面可能“弹起”几倍远。导致开关的边沿不规则，很容易由几个独立的边沿组成，遍布1ms典型的一个周期。通过在存储示波器上观察图2-4的输入波形就可以证实这个现象。
当然，数字输入对每通过开关阀值的反应都非常快，因此，在端口或门设置稳态1或0之前，每次开关动作都会看到几个转换。这对于电平敏感的输入可能不是问题，但是对诸如
时钟输入的计数器或锁存器这类的边沿敏感元疑就是问题了。开关输入产生的计数电路误 触发通常由此引起。
对触点反弹的简单的解决办法就是用RC网络对逻辑输入过滤[参见图2-5(a)]RC时间常数必须明显大于反弹周期以有效地削弱接触噪声。这对引人的冲击或RF干扰有特别的保护作用，但是它需要额外的分立元件，同时要求逻辑输入必须是施密特触发器类型,因为输入的上升时间有意地减慢了。
如果开关输入可以快速地改变状态,足够长以解决反弹的RC时间常数将减慢不希望的开关响应。可以用两种方式解决: 图2-5(b)的R-S锁存器，要求转向开关而不是单掷开关，或一个软件或硬件实现延迟。图2-5(c)所示的为硬件延迟，采用连续时钟移位寄存器和“或”门以有效地对反弹“加窗”。适当的调整延迟以适应反弹的周期。这两个解决方法更适于用半定制的逻辑阵列或ASIC实现，其中额外的逻辑开销是很少的。
图2-5 开关防止反弹的电路
2.2.3保护防止外部施加的过压
外部获得的逻辑输入和输出一定会在系统工作的某个时间达到过压。在这方面，原则应该是，如果它可以发生，它肯定会发生。由于板或外部设备的误接，或由于内部的静态产生过压。后者对具有高阻抗的CMOS输入是个特别的威胁，但是大量静电放电的影响也可能对其他的逻辑系列是致命的危险。
逻辑信号线上的过压有三个主要的后果:
·由于镀金金属线的破裂或硅的破坏对器件直接破坏
·当过压没有足够的能量立即破坏器件时，器件的特性逐渐降低 ·上锁，可能由短暂过压后的多余的电源电流引起的危险
现代含有保护的系列逻辑器件是在输入和输出之间采用对电源线设置箝位二极管的方
式，但是这些二极管的电流控制能力被限制了，因此由于必须限制过压，使用了误电流。采 用图2-6的方法可以较好地实现。
外部的箝位二极管被用来获得大部分的输入过载电流，并把它转移给Vcc或0V线；如果IC的内部二极管由于正向电压与外部二极管正向电压相比仍获得太多的电流，就需要虚线表示的电阻。电源上下限的值将获得额外的输入电流，因此必须具有足够低的阻抗以通过电流的汇集保证不受影响。这可以称为控制器原理的研究，或额外的箝位二极管用于电源线与本地接口。在本身没有外部箝位二极管时，串联电阻Rs可能是足够的，特别在输入部分，可用它们限制IC的内部二极管可以控制的电流。
图2-6 逻辑门IO保护
三、 实际电路设计
在实际电路设计中，有许多种电路设计，它们有着自己的实现功能。按功能分类：有电源转换电路（交流或直流）、升压电路、降压电路和恒压输出电路；对信号处理有检波电路、叠加直流电平电路、去直流电平电平电路、整流电路、取样电路、半幅/全幅转换电路、各种滤波电路（高通、带通和低通）、调制电路、解调电路、放大电路、衰减电路、频合/频分电路和功合/功分电路；信号转换有电压转换电路、电流转换电压电路、信号电平转换电路（如TTL电平转CMOS电平）、模拟信号转换为数字信号、数字信号转换为模拟信号；驱动电路有电压驱动电路、电流驱动电路、数字驱动模拟电路。信号产生电路有振荡电路、各种波形产生电路及转换电路。
以下通过实例来讲解各个部分电路工作原理和其设计特点。
3.1 电子日光灯设计与制作
3.1.1 电路结构与功能
电子日光灯电路原理图如图3-1-1所示，我们将日光灯管以外的电路称为电子镇流器。电子镇流器的作用是将50Hz交流220V市电变换为50kHz高频交流电，再去点亮日光灯。
整机电路框图如图3-2所示。包括4个部分:①整流二极管VDl- VD4和滤波电容器Cl组成的市电直接整流滤波电路，其功能是将交流市电转变为直流电；②晶体管VT1、VT2和高频变压器T等组成的高压高频振荡电路，其功能是产生高频交流电；③电阻Rl、电容C2和双向二极管VD8组成的启辉电路，其功能是在刚接通电源时启动振荡电路；④电感L、电容C5等组成的谐振启辉电路，其功能是产生日光灯管所需要的启辉高压。