在高精度電子系統設計中，訊號鏈完整性往往直接影響最終量測結果。Analog Devices (ADI) 與安馳科技（Macnica Anstek）近期舉辦「次世代訊號鏈設計量測工作坊」，針對研發工程師深度剖析從感測器端雜訊控制、濾波器頻寬配置到精密類比數位轉換器驅動設計的關鍵環節，並結合原廠設計工具與實作演練，協助工程人員理解高可靠度訊號鏈的建構方法，縮短從架構設計到驗證落地的流程。
雜訊分配決定量測精度上限
隨著工業量測、能源監控與高精度感測需求提高，訊號鏈設計的關鍵已不只是選用高解析度類比數位轉換器，而是確保訊號在進入轉換階段前仍保有足夠完整性。Analog Devices (ADI) 系統應用工程師 Lluis Beltran Gil 在「觀念解析 Part 1：透視採集訊號鏈中的雜訊來源」演講中指出，高精度系統的核心在於建立完整的雜訊預算，並確認每一級電路的雜訊貢獻維持合理比例，而非單純追求某顆元件的低雜訊規格。
Lluis Beltran Gil 表示，前端雜訊主要來自元件本身與外部干擾。元件內部的散彈雜訊、熱雜訊與低頻閃爍雜訊具有可預測性，可透過元件選型與電路架構控制；外部干擾則多來自電磁耦合、電路板佈局與接地不良，若內在雜訊尚未壓低，就難以判斷外部干擾的真實影響。此外，雜訊分析必須從頻域進行，因總雜訊取決於整段頻寬積分結果，因此濾波器階數與截止特性直接影響最終均方根雜訊。
在前端放大設計，增益設定需在放大器雜訊與轉換器雜訊之間取得平衡。增益過低無法充分利用轉換器動態範圍，增益過高則可能讓前級放大器反而成為主要噪聲來源。若採用逐次逼近型轉換器，前端設計更需處理取樣瞬間的電荷回衝問題。轉換器內部電容在每次取樣時會對輸入端產生瞬時拉扯，若驅動器建立速度不足，就會造成線性誤差與失真，因此前端通常會加入阻容網路作為緩衝，同時兼具第一層類比濾波功能。
高性能差動架構多使用全差動放大器，不僅完成單端轉差動，也負責建立穩定共模電壓，使輸入落在最佳轉換區間。另一方面，參考電壓路徑也是高解析度系統的重要噪聲來源，通常需加上低通濾波與緩衝，避免參考端雜訊主導整體表現。
若系統採用以過取樣與數位濾波為核心的高精度轉換方式，設計重點便會轉向後端濾波設定。不同濾波模式對應不同工程取捨，有些著重壓低雜訊底限，有些優先縮短穩定時間，以提升多通道切換效率；若應用於工業現場，濾波器是否能同時抑制 50Hz 與 60Hz 電源干擾，也會直接影響量測穩定度。Analog Devices (ADI) 指出，高精度訊號鏈的設計已不再只是追求單一元件規格，而是讓前端放大、驅動、參考電壓與數位濾波在同一系統中協同運作，使各級在既定頻寬與取樣速度下維持資訊完整，避免局部設計成為整體性能瓶頸。
抗混疊設計走向類比與數位協作
針對抗混疊設計，Lluis Beltran Gil 進一步說明，現代高精度訊號鏈已不再依賴單一類比濾波器完成全部頻譜控制，而是將類比與數位濾波視為同一套系統中的連續設計。傳統上，類比數位轉換器前端需透過低通類比濾波器先削弱奈奎斯特頻寬之外的高頻成分，避免取樣後折返至有效頻帶形成混疊；但若希望類比濾波器逼近理想磚牆式響應，往往需要更高階架構，不僅增加元件數量，也提高電路複雜度、成本與相位延遲。因此，在具備過取樣能力的系統中，設計逐漸轉向由前端類比濾波器先完成第一層高頻抑制，再透過轉換器內部數位濾波器進一步縮小有效雜訊頻寬。
以 Analog Devices (ADI) 的 AD4080 為例，這顆每秒 4,000 萬次取樣、20 位元差動式逐次逼近型轉換器內建 SINC1、SINC5 與 SINC5 加補償等數位濾波模式，可搭配不同抽取倍率調整頻率響應。當抽取倍率提高時，數位濾波器的第一個陷波點會往低頻移動，代表通帶變窄、可通過的總噪聲下降，因此系統訊噪比同步提升。ADI 在實作中以低頻鋸齒波作為目標訊號，加入約 1.2MHz 高頻干擾，先經由前端全差動放大器與類比濾波器進行初步衰減，再觀察不同數位濾波設定下的頻譜變化。結果顯示，SINC5 相較於 SINC1 具有更陡峭的截止特性，高頻噪聲抑制更明顯，但穩定時間也隨之增加。當輸入改為方波時，高階濾波器需要更多取樣點才能完成收斂，且較容易出現過衝。這也反映數位濾波器的選擇並非單純追求最低雜訊，而必須同步考量延遲、更新速率與暫態反應，使整體訊號鏈在頻寬、雜訊與穩定時間之間取得平衡。
SAR 前端驅動影響有效解析度
在 SAR ADC 設計過程中，前端驅動能力往往直接決定實際解析度能否達到元件規格。Analog Devices (ADI) 講師在「ADC 驅動電路全攻略」的演講指出，SAR ADC 內部取樣保持電容在每次取樣開始時，會透過開關瞬間向前級抽取電荷，使輸入端出現短時間電流脈衝與電壓擾動；若前級放大器無法在極短時間內完成補償，訊號尚未穩定便進入轉換，將造成線性誤差與有效位元數下降。這種電荷回衝效應在高速與高解析度條件下尤其明顯，因此 SAR ADC 前端的驅動器不只是一般放大器，而必須同時具備低輸出阻抗、高增益頻寬、快速建立時間與低雜訊特性，以確保每次取樣都能在誤差範圍內完成收斂。
為降低取樣瞬間對前級的衝擊，ADC 與驅動器之間通常會加入阻容網路，串聯電阻用來隔離內部取樣電容的瞬時拉扯，差動電容則提供局部電荷緩衝，吸收電荷回衝並穩定輸入端動態。不過這組阻容參數必須同步考慮取樣頻率、ADC 輸入電容與驅動器輸出能力，電阻過大會拉長穩定時間，電容過大則增加負載並影響速度。此外，高速驅動器若直接面對電容性負載，也容易因相位裕度不足產生振鈴，因此串聯電阻同時具有改善穩定性的作用。
在工作坊現場，Analog Devices (ADI) 展示利用 ADC 驅動器設計工具與訊號鏈設計平台，直接輸入 ADC 型號、頻寬與解析度需求，即可快速估算適合的驅動器與阻容配置，大幅縮短傳統反覆模擬與試板的時間。這也反映當前高精度訊號鏈設計已從單一元件選型，轉向以工具輔助進行系統級前端協同設計。
設計工具加速前端參數收斂
在第二階段實作中，講師示範如何利用轉換器驅動設計工具與訊號鏈設計平台快速建立高精度資料擷取架構，讓設計流程由單一元件選型進一步提升為系統級配置。此次範例以 AD4630-24 為核心，搭配低漂移參考電壓源 LTC6655 與全差動驅動器 ADA4945-1，目標是完成一套可支援多通道、低雜訊、高解析度的精密量測架構。由於系統需對應 ±10V、±5V、±2V 與 ±1V 等不同輸入範圍，前端再加入具可變增益與衰減能力的儀表放大器 LTC6373，先將訊號調整至類比數位轉換器最佳動態範圍，再送入差動驅動級。透過轉換器驅動設計工具，工程師可直接輸入轉換器型號、取樣率、輸入頻率與阻容參數，即時觀察雜訊、失真與建立誤差。
例如在 ADA4945-1 搭配 33 歐姆電阻與 1 奈法電容的預設條件下，可同步檢查高次諧波失真、訊噪比與取樣穩定時間；若提高電容值，雖可降低電荷回衝，但建立誤差也會上升，反映前端阻容配置本質上是在速度與穩定度之間取得平衡。完成驅動器優化後，訊號鏈設計平台可進一步建立完整架構，並一鍵分析各級雜訊來源。現場示範呈現出，在每秒兩百萬次取樣條件下，主要雜訊來源反而來自前級增益放大器，因此在 LTC6373 後加入 100kHz 低通濾波器後，總雜訊可明顯下降；若再啟用 AD4630 內建數位平均濾波功能，訊噪比可額外提升約 6dB。最後，整套設計還可直接匯出至 LTspice 進行交流與頻域模擬，使高精度訊號鏈在硬體打樣前即可完成大部分驗證，大幅降低首次試板風險。
從元件選型走向整體訊號鏈驗證
在主要功能模型應用實作中，將前兩階段的元件選型進一步提升到系統層級驗證，重點在於利用訊號鏈設計平台、轉換器驅動設計工具與電路模擬軟體建立一套可直接落地的精密資料擷取架構。此次設定以 AD4630-24 為核心，搭配低漂移參考電壓源 LTC6655、全差動驅動器 ADA4945-1，以及可切換增益與衰減的儀表放大器 LTC6373，對應多通道、超低雜訊、高解析度與多輸入範圍的設計需求。
Analog Devices (ADI) 指出，若系統需支援 ±10V、±5V、±2V 與 ±1V 輸入，前級放大器必須先依量測範圍進行增益或衰減，使訊號維持在類比數位轉換器 5V 全幅範圍內，避免超出動態範圍造成解析度浪費。完成架構後，再透過轉換器驅動設計工具調整驅動器與輸入阻容濾波器參數，例如 33 歐姆與 1 奈法的預設值，可即時觀察訊噪比、總諧波失真與建立誤差變化；若提高電容值，雖可降低電荷回衝，但建立誤差也會升高，顯示前端濾波仍需在穩定時間與雜訊抑制間取得平衡。
進一步匯入訊號鏈設計平台後，可一鍵分析整體雜訊來源，結果顯示在每秒兩百萬次取樣條件下，主導雜訊的反而是前級增益放大器，因此在 LTC6373 後加入 100kHz 一 階低通濾波器後，總雜訊可由約 20 微伏再下降一半以上；若再啟用 AD4630 內建同步平均數位濾波，訊噪比可額外提升約 6dB。最後，完整電路可直接匯出至 LTspice，延伸進行交流、暫態與頻域模擬，讓工程師在實際打樣前即可完成大部分系統驗證，縮短高精度訊號鏈從概念到硬體落地的開發週期。
「次世代訊號鏈設計量測工作坊」 由 Analog Devices (ADI) 歐洲資深專家帶領，分享全球前瞻技術與應用實務，現場配備 ADALM2000 (M2K)掌上型電子實驗室模組，助力與會者親手操作抗混疊濾波器設計與 ADC 驅動工具，並掌握主動功能模型（AFM）的應用效益，為工業自動化、醫療量測、航太及通訊測試等領域，提供高適用性的對策。
