我們經常聽到諸如「數位經濟」和「數位轉型」之類短語，以至於這些詞語幾乎已成為陳詞濫調。業內對數位技術關注度意謂著許多人可能已經忘記現實世界不是數位，而是類比。有些人認為「類比」技術可能已經過時，且這種類比不再重要的誤解正在對電子行業產生嚴重影響，導致許多大學生和研究生工程師在選擇學習和研究項目時只考量數位電子。
這導致電子工程師缺乏對類比設計和應用技能理解以及相應實踐經驗。而許多年輕工程師認為類比電路設計定義不明確，需要經常使用困難的數學計算，並且缺乏類似數位工程師經常使用的高階軟體工具。除非迅速扭轉此趨勢，否則電子產業將很快面對沒有足夠數量具有類比經驗工程師來提供符合消費者期望創新之困境。
雖然類比技術在過去被描述為一種「神秘藝術」，需要結合繁瑣手工計算、笨重實驗室設備和經驗法則，但當下類比設計已經發生了巨大變化，類比設計人員已經可以仰仗於以前只有數位設計人員才能使用的創新硬體和軟體工具。考量到這一點，本文旨在重新平衡針對類比設計的知識和理解，進而使該領域更具吸引力。
何為類比和數位技術
類比是指由連續變化物理量所代表訊號或訊息。類比量示例包括電壓、光、熱、壓力和聲音。相反，某些數量數位大小只能是預設定值中預定義數量(或離散)值之一。可以使用以下簡單示例來說明類比和數位之間差異：
．將房間內燈完全打開或關閉(數位)，相較於使用可變調光開關將照明設置為所需照明水準(類比)。
．使用恆溫器，當房間內溫度超過或低於預設值時，完全打開和完全關閉加熱器(數位)，相較於使用連續調節加熱器操作以將室溫保持在預設值(類比)。
．帶有預設定音量控制音訊系統(數位)，相較於帶有可將音量設置為任何所需級別的旋轉音量控制系統(類比)。
為何需要將類比量轉換為數位格式，是因為這樣可以被數位電路快速處理。然而，這並不意謂著數位訊號總是最準確。以溫度計為例，與類比溫度計不同，數位溫度計僅定期量測溫度，這一過程稱為抽樣。其次，它只能使用其預設值之一顯示該量測值，這稱為量化過程。
因此，要使數位溫度計顯示依照溫度變化而進行更新，必須首先執行其量測(這可能發生在溫度變化已經發生之後)，其次，量測變化必須大於它能夠識別之最小預設值變化。
何為類比訊號鏈？
與時間一樣，光、熱和壓力等自然現象都是類比量。感測器能夠將這些訊號轉換為類比電壓，形成電子控制系統(例如中央供暖)的輸入。該電壓訊號一般很小，並且經常會被感測器無意中拾取的其他訊號干擾，使其原始形式不適合系統數位微控制器使用。為了克服該問題，類比工程師開發了一系列稱為類比訊號鏈電路，它可以改善感測器輸出，使之能夠為系統採用(圖1)。
圖1 類比訊號鏈框圖
從本質上講，類比訊號鏈是對類比訊號進行精確檢測、調節和轉換為數位格式所需的一系列電路，以便由微控制器或其他數位控制系統進行處理。它由四個主要元素組成：感測器、放大器、濾波器和類比數位轉換器(ADC)。
感測器
類比訊號鏈第一部分是感測器(稱為轉換器)，它檢測輸入訊號並將其轉換為電訊號，通常為類比電壓或電流形式。感測器依照各種物理原理操作，一些例子包括：
．溫度：熱電偶和電阻溫度檢測器(RTD)
．壓力：應變計或電容膜
．心率：心電圖電極
．光：光敏電阻
．聲音：麥克風
對於具有電壓輸出感測器，其範圍通常從幾µV到幾mV，這使得訊號非常容易受到來自不需要電雜訊源干擾。雜訊可以來自多個方面，但大致分為電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)。為了克服該問題，通常將感測器量測輸出指定為兩個端子之間差值(差動)，進而消除兩者共有雜訊訊號。
放大器
訊號鏈中第二個元件是(差動)放大器，這是一種電子電路，可根據以下公式將感測器輸出幅度增加一個比例因數A，其中A稱為增益。
Voutput = A × Vinput
之所以需要放大器，是因為感測器訊號通常太小而無法通過類比鏈末端ADC轉換為數位格式。放大器能夠將訊號幅度提升到ADC可以有效讀取水準，其可以產生最大輸出電壓非常接近於電源電壓電平。
影響設計和元件選擇的另一個工程考量因素是訊雜比(SNR)，訊雜比是訊號強度與不需要雜訊之比率，以分貝(dB)為單位量測。高SNR dB等級表明訊號強大，對雜訊影響更具耐受性。在許多應用中，可程式增益放大器(PGA)通常與自動增益控制電路(AGC)結合使用，由於環境或其他原因，感測器訊號幅度可能會超出其預期範圍，這種組合能夠動態增大或者減小放大器增益。如果感測器訊號確實太高，放大器可能飽和，導致會產生高於實際可能之輸出訊號。
濾波器
感測器訊號經過放大後，必須透過類比濾波器電路以去除任何不需要頻率分量。類比濾波器電路主要有三大類，分別是低通濾波器(去除高頻訊號)、高通濾波器(去除低頻訊號)和帶通濾波器(只允許定義頻率範圍內訊號通過)。濾波器電路由電容器、電阻器和運算放大器組成(圖2)。
圖2 採用運算放大器低通濾波器電路
濾波器關鍵性能規格包括：
．濾波器頻寬
它表示電路允許通過頻率範圍，而不至於降低訊號幅度(衰減)，其中3dB拐角頻率是輸出訊號下降到輸入訊號一半功率時的頻率。
．滾降
滾降(Roll-Off)同為衰減率，這是濾波器區分輸入端不需要頻率分量的快慢程度，以分貝/十倍頻程為單位進行量測。具有更快滾降的濾波器需要更多元件，進而增加複雜性和成本。
．相位
指輸入和輸出訊號之間相對延遲，如果在訊號鏈中使用回饋環路，相位非常重要，因為它會影響環路穩定性。
類比數位轉換器
位於類比和數位訊號之間最後一個元件是類比數位轉換器。為了使ADC能夠生成類比訊號精確數位表示，它必須以訊號最高頻率分量兩倍(稱為Nyquist頻率)進行抽樣，而這通常是採用「抽樣保持電路」來執行，該電路定期量測類比輸入電壓並將其保持在某個恆定電平足夠長時間，以便ADC執行轉換，然後再進行下一抽樣。
轉換過程下一步是「量化」，將抽樣電壓與固定大小離散值進行比較，每個離散值都由唯一數位代碼表示。例如，一個四位元ADC有十六個離散電平用於表示一個樣本，更多位ADC具有更好解析度(精度)，因為它們會使用更多離散值，每增加一個位元，解析度就會翻倍。最常見的ADC架構包括：逐次逼近寄存器(SAR)、Σ-Δ型(Sigma Delta)、Flash和流水線型。
儘管類比訊號鏈操作原理看起來簡單，但由於感測器類型和操作條件多樣性，使其設計也具有極大挑戰性。接下來將探討為何類比濾波器電路設計在傳統上最為耗時。
老派濾波器設計
類比濾波器電路通常由幾個主動和被動元件(運算放大器、電阻器、電容器，有時還有電感器)組成。由於所需濾波器類型及其相關規格多樣性，設計任務變得更加複雜，需要有條不紊遵循設計方法，其中第一步是確定具體應用所需濾波器類型。
濾波器可用選項包括：低通(即LPF，用於去除高頻訊號)、高通(即HPF，用於去除低頻訊號)和帶通(即BPF，僅允許特定頻率範圍內的訊號通過)。 下一步是選擇滿足濾波器規格傳遞函數，包括以下三點。
1.頻寬：其描述了電路允許通過不衰減(幅度幾乎沒有或很少衰減)頻率範圍。
2.滾降：表示衰減率或濾波器去除感測器訊號中不需要頻率分量銳利程度。
3.相位：指輸入和輸出訊號之間相對延遲。如果在訊號鏈中使用回饋環路，這一點很重要，因為它會影響環路穩定性。
傳遞函數是一個複雜數學公式，用於描述濾波器頻率回應(輸入和輸出訊號之間關係)。如濾波器表(Butterworth、Bessel、Chebyshev和其它)中所述，類比設計人員必須盡可能地將所需濾波器頻率回應與不同濾波器類型預先計算頻率回應相匹配。選擇與所需性能最匹配的濾波器類型後，設計人員接下來必須計算各個元件值，以便可以構建(或模擬)真實電路。完成該階段後，可以評估濾波器性能以檢查其是否達到要求規格。這可能是一個耗時且有時令人沮喪過程，通常需要重複多次，直到找到最佳折衷方案。
新時代濾波器設計
雖然前面描述類比設計過程可能對許多人來說很熟悉，但當下應用現實卻已經與之前大不相同，這要歸功於ADI(Analog Devices Inc.)提供的類比濾波器嚮導(Analog Filter Wizard)等工具。該軟體把從初始濾波器選擇到實際原型設計整個濾波器設計流程完全自動化。在做出初始濾波器選擇(LPF、HPF或BPF)後，設計人員只需將濾波器規格輸入使用者友善圖形使用者介面(GUI)，該GUI會以視覺化方式顯示並動態調整濾波器頻率回應(圖3)。
圖3 在類比濾波器嚮導中設置濾波器頻率回應
如果要對濾波器進行進一步調整，就像重新輸入規格值或移動滑塊一樣容易。在確定所需頻率回應後，該工具會自動顯示所提供電路(圖4)。設計人員毋須手動將傳遞函數與不同濾波器類型表進行匹配，甚至無需提供電路元件值，毋須數學計算。該工具不僅提供「理想」電路模型，還允許設計人員指定元件容差，以便他們能夠瞭解電路處在「真實世界」性能。它還提供功能齊全的SPICE檔(毋須調試)，可以快速輕鬆模擬溫度和電壓影響。
圖4 匹配所需頻率回應之濾波器電路
下一代硬體
除了在軟體工具方面有明顯改進外，可用硬體工具的進步也同樣令人印象深刻。傳統上，類比工程師需要在實驗室中設置他們的電路，因為其中所需要獨立電源、示波器和訊號發生器等設備非常笨重，且難於攜帶。將這些設備中的任何一個快速連接到電路都會導致難以處理的電線和探頭纏結，這會使查找故障變得更加棘手。值得慶幸的是，現在可以使用單個USB供電設備，如Digilent Analog Discovery 2替換以前複雜設置，它將示波器、訊號發生器和電源功能整合到一個袖珍設備。因此，類比工程師現在只需要一台筆記型電腦即可快速設置和評估電路性能，而可能根本不需要再去實驗室評估。或許更專業設計可能仍需要專用實驗室設備，但對於許多通常應用，Digilent Analog Discovery 2已經能夠理想滿足要求。
全新視角看待類比電路設計
沒有類比電路，被認為理所應當的數位世界就不會存在。類比訊號在任何時候可以表現出不同值，這使得類比電路設計具有很大挑戰性。然而，複雜設計工具(包括軟體和硬體)開發已經使許多困難設計任務自動化。誠然，最新數位儀器現在設計用於進行許多高速量測，它們的性能通常足以達到特定應用要求。
然而，在純粹量測方面，它們永遠不可能像類比量測那樣準確，而且類比設計工程師總是業內急需。類比電路設計不再單純依賴於單個工程師的主觀洞察力及其設計原則，而是已經演變成一種高度結構化方法，由於市場上提供的先進硬體和軟體工具大大簡化，這些工具可以自動執行以前需要耗時手動計算完成的任務。
本文希望所有年輕工程師都能以全新視野看待類比電路設計，並將其視為一項高價值技能和回報豐厚職業選擇。
(本文作者為貿澤電子歐洲、中東及非洲區技術行銷經理)