數(shù)?;旌想娐吩O(shè)計(jì)難點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間:2019-03-15 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】數(shù)?;旌想娐返脑O(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)?;旌想娐吩O(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)?;旌显O(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)?;旌细蓴_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),既可能通過電路傳導(dǎo)耦合,也可能通過空間電磁場(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,用來提供完整回流路徑。無論哪種方法,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)?;旌想娐返姆抡?,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,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??梢?,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“AD-Mix Signal Noise Design Suites” 數(shù)?;旌显肼暦抡嬖O(shè)計(jì)軟件的對(duì)數(shù)?;旌显O(shè)計(jì)PCB的仿真,探索分析數(shù)?;旌想娐返脑肼暩蓴_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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