硬件高手必过的门槛：数模混合电路设计的难点

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硬件高手必过的门槛：数模混合电路设计的难点

数模混合电路的设计，一直是困扰硬件电路设计师提高性能的瓶颈。众所周知，现实的世界都是模拟的，只有将模拟的信号转变成数字信号，才方便做进一步 的处理。模拟信号和数字信号的转变是否实时、精确，是电路设计的重要指标。除了器件工艺，算法的进步会影响系统数模变换的精度外，现实世界中众多干扰，噪声也是困扰数模电路性能的主要因素。



数模混合电路设计当中，干扰源、干扰对象和干扰途径的辨别是分析数模混合设计干扰的基础。通常的电路 中，模拟信号上由于存在随时间变化的连续变化的电压和电流有效成分，在设计和调试过程中，需要同时控制这两个变量，而且他们对于外部的干扰更敏感，因而通 常作为被干扰对象做分析；数字信号上只有随时间变化的门限量化后的电压成分，相比模拟信号对干扰有较高的承受能力，但是这类信号变化快，特别是变化沿速度 快，还有较高的高频谐波成分，对外释放能量，通常作为干扰源。


作为干扰源的数字电路部分多采用CMOS工艺，从而导致数字信号输入端极高 的输入电阻，通常在几十k欧到上兆欧姆。这样高的内阻导致数字信号上的电流非常微弱，因而只有电压有效信号在起作用，在数模混合干扰分析中，这类信号可以 作为电压型干扰源，如CLK信号，Reset等信号。除了快速交变的数字信号，数字信号的电源管脚上，由于引脚电感和互感引起的同步开关噪声（SSN）， 也是数模混合电路中存在的重要一类电压型干扰源。此外，电路中还存在一些电流信号，特别是直流电源到器件负载之间的电源信号上有较大的电流，根据右手螺旋 定理，电流信号周围会感应出磁场，进而引起变化的电场，在分析时，直流电源作为电流型干扰源。

无论电压型还是电流型的干扰源，在耦合到被 干扰对象时，既可能通过电路传导耦合，也可能通过空间电磁场耦合，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，只能分析其中一种。例如在传 统的SPICE电路仿真工具中，只考虑电路传导型的干扰，并不考虑空间电磁场的耦合；而一般的PCB信号完整性（SI）分析工具，只考察空间电磁场耦合， 将所有的电源、地都看作理想DC直流，不予分析考虑。耦合路径提取的不完整，也是困扰数模混合噪声分析的重要原因。

数模混合设计中，电源 和地的划分，是业内争论的焦点。传统的设计中，数字模拟部分被严格分开；然而随着系统越来越复杂，数模电路集成度不断提高，分割又会造成数字信号跨分割， 信号回流不完整，进而影响信号完整性，另外，电源的分割还造成电源分配系统的阻抗过高；有人提出“单点连接”：还是做分割，但是在跨分割的信号下方单点连 接以避免跨分割问题；但是如果数模之间信号很多，难于分开，这种“单点连接”也存在困难，因而又有人提出不分割，只是保持数字和模拟部分不要交叉；还有一 些资料介绍，在跨分割的信号旁边包地线或者并联电容，用来提供完整回流路径。无论哪种方法，似乎都有一定道理，而且都有成功的先例，然而所有这些分割方案 的有效性以及可能存在的问题，一直没有检验的标准。

数模混合电路的仿真，还存在模型的问题。业界普遍接受的模拟电路仿真模型还是 SPICE模型，数字电路信号完整性分析使用IBIS模型。多家EDA公司的仿真软件已经推出支持多种模型的混合模型仿真器，然而摆在设计师案头的主要困 难是器件模型，特别是模拟器件模型很难得到。在数字设计看来，时域的瞬态分析，即某一时间点上确定的电压值，是仿真的主要手段，就像调试中的示波器那样直 观。没有精确的模型，瞬态分析就无法实现。然而对模拟设计，特别是噪声分析，激励源在时间轴上难于描述或很难预测，只知道他的频率带宽范围和大致幅度，这 时候我们通常会引入频域扫频分析，考察扫频信号在关注点的变化，如同频谱分析仪的作用。或者干脆如网络分析仪（NA）那样考察信号或噪声通过的通道的频域 SYZ参数，进而预测干扰发生的频率和幅度。可见，数模混合噪声分析，既需要支持混合模型的仿真器，也需要仿真器同时支持时域分析和频域分析。

通过“AD-Mix Signal Noise Design Suites” 数模混合噪声仿真设计软件的对数模混合设计PCB的仿真，探索分析数模混合电路的噪声干扰和优化设计的途径，以达到改善系统性能目的。

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