數(shù)模混合電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

數(shù)模混合電路的設(shè)計(jì)，一直是困擾硬件電路設(shè)計(jì)師提高性能的瓶頸。眾所周知，現(xiàn)實(shí)的世界都是模擬的，只有將模擬的信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，才方便做進(jìn)一步的處理。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變是否實(shí)時(shí)、精確，是電路設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。除了器件工藝，算法的進(jìn)步會(huì)影響系統(tǒng)數(shù)模變換的精度外，現(xiàn)實(shí)世界中眾多干擾，噪聲也是困擾數(shù)模電路性能的主要因素。
數(shù)模混合電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，干擾源、干擾對(duì)象和干擾途徑的辨別是分析數(shù)模混合設(shè)計(jì)干擾的基礎(chǔ)。通常的電路中，模擬信號(hào)上由于存在隨時(shí)間變化的連續(xù)變化的電壓和電流有效成分，在設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中，需要同時(shí)控制這兩個(gè)變量，而且他們對(duì)于外部的干擾更敏感，因而通常作為被干擾對(duì)象做分析；數(shù)字信號(hào)上只有隨時(shí)間變化的門限量化后的電壓成分，相比模擬信號(hào)對(duì)干擾有較高的承受能力，但是這類信號(hào)變化快，特別是變化沿速度快，還有較高的高頻諧波成分，對(duì)外釋放能量，通常作為干擾源。

作為干擾源的數(shù)字電路部分多采用CMOS工藝，從而導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)輸入端極高的輸入電阻，通常在幾十k歐到上兆歐姆。這樣高的內(nèi)阻導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)上的電流非常微弱，因而只有電壓有效信號(hào)在起作用，在數(shù)模混合干擾分析中，這類信號(hào)可以作為電壓型干擾源，如CLK信號(hào)，Reset等信號(hào)。除了快速交變的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的電源管腳上，由于引腳電感和互感引起的同步開關(guān)噪聲（SSN），也是數(shù)模混合電路中存在的重要一類電壓型干擾源。此外，電路中還存在一些電流信號(hào)，特別是直流電源到器件負(fù)載之間的電源信號(hào)上有較大的電流，根據(jù)右手螺旋定理，電流信號(hào)周圍會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)，進(jìn)而引起變化的電場(chǎng)，在分析時(shí)，直流電源作為電流型干擾源。
無(wú)論電壓型還是電流型的干擾源，在耦合到被干擾對(duì)象時(shí)，既可能通過(guò)電路傳導(dǎo)耦合，也可能通過(guò)空間電磁場(chǎng)耦合，或者二者兼有。然而一般的仿真分析工具，往往由于功能所限，只能分析其中一種。例如在傳統(tǒng)的SPICE電路仿真工具中，只考慮電路傳導(dǎo)型的干擾，并不考慮空間電磁場(chǎng)的耦合；而一般的PCB信號(hào)完整性（SI）分析工具，只考察空間電磁場(chǎng)耦合，將所有的電源、地都看作理想DC直流，不予分析考慮。耦合路徑提取的不完整，也是困擾數(shù)模混合噪聲分析的重要原因。
數(shù)模混合設(shè)計(jì)中，電源和地的劃分，是業(yè)內(nèi)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，數(shù)字模擬部分被嚴(yán)格分開；然而隨著系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，數(shù)模電路集成度不斷提高，分割又會(huì)造成數(shù)字信號(hào)跨分割，信號(hào)回流不完整，進(jìn)而影響信號(hào)完整性，另外，電源的分割還造成電源分配系統(tǒng)的阻抗過(guò)高；有人提出“單點(diǎn)連接”：還是做分割，但是在跨分割的信號(hào)下方單點(diǎn)連接以避免跨分割問題；但是如果數(shù)模之間信號(hào)很多，難于分開，這種“單點(diǎn)連接”也存在困難，因而又有人提出不分割，只是保持?jǐn)?shù)字和模擬部分不要交叉；還有一些資料介紹，在跨分割的信號(hào)旁邊包地線或者并聯(lián)電容，用來(lái)提供完整回流路徑。無(wú)論哪種方法，似乎都有一定道理，而且都有成功的先例，然而所有這些分割方案的有效性以及可能存在的問題，一直沒有檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)模混合電路的仿真，還存在模型的問題。業(yè)界普遍接受的模擬電路仿真模型還是SPICE模型，數(shù)字電路信號(hào)完整性分析使用IBIS模型。多家EDA公司的仿真軟件已經(jīng)推出支持多種模型的混合模型仿真器，然而擺在設(shè)計(jì)師案頭的主要困難是器件模型，特別是模擬器件模型很難得到。在數(shù)字設(shè)計(jì)看來(lái)，時(shí)域的瞬態(tài)分析，即某一時(shí)間點(diǎn)上確定的電壓值，是仿真的主要手段，就像調(diào)試中的示波器那樣直觀。沒有精確的模型，瞬態(tài)分析就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。然而對(duì)模擬設(shè)計(jì)，特別是噪聲分析，激勵(lì)源在時(shí)間軸上難于描述或很難預(yù)測(cè)，只知道他的頻率帶寬范圍和大致幅度，這時(shí)候我們通常會(huì)引入頻域掃頻分析，考察掃頻信號(hào)在關(guān)注點(diǎn)的變化，如同頻譜分析儀的作用。或者干脆如網(wǎng)絡(luò)分析儀（NA）那樣考察信號(hào)或噪聲通過(guò)的通道的頻域SYZ參數(shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)干擾發(fā)生的頻率和幅度。可見，數(shù)模混合噪聲分析，既需要支持混合模型的仿真器，也需要仿真器同時(shí)支持時(shí)域分析和頻域分析。
通過(guò)Ansoft公司的“AD-Mix Signal Noise Design Suites” 數(shù)模混合噪聲仿真設(shè)計(jì)軟件的對(duì)數(shù)模混合設(shè)計(jì)PCB的仿真，探索分析數(shù)模混合電路的噪聲干擾和優(yōu)化設(shè)計(jì)的途徑，以達(dá)到改善系統(tǒng)性能目的。

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