如何解決數(shù)模混合設(shè)計中的串?dāng)_問題

一、設(shè)計的基本概念理解

很多產(chǎn)品都包含的設(shè)計，不同的信號具有不同的抗干擾能力。在互連設(shè)計過程中必須對不同信號之間的串?dāng)_進(jìn)行合理的控制才能保證最終產(chǎn)品的指標(biāo)要求。

對于以下基本概念的理解非常重要，掌握有關(guān)設(shè)計的基本概念，有助于理解后面制定得很嚴(yán)格的布局和布線設(shè)計規(guī)則，從而在終端產(chǎn)品數(shù)模混合的設(shè)計時，不會輕易打折執(zhí)行其中的重要約束規(guī)則。并且有助于靈活有效地處理數(shù)模混合設(shè)計方面可能遇到的串?dāng)_問題。

1. 模擬信號與數(shù)字信號在抗干擾能力方面的重要區(qū)別

數(shù)字信號電平有較強(qiáng)的抗干擾能力，而模擬信號的抗干擾能力很差。

舉個例子，3V 電平的數(shù)字信號，即使接收到 0.3V 的串?dāng)_信號，也可以容忍，不會對邏輯狀態(tài)產(chǎn)生影響。但在模擬信號領(lǐng)域，有些信號極微弱，例如 GSM 手機(jī)的接收靈敏度能夠做到-110dBm 的指標(biāo)，僅相當(dāng)于 0.7uV 的正弦波有效值。在 LNA 前端即使接收到 uV 數(shù)量級的帶內(nèi)干擾噪聲，也足以使基站接收靈敏度大幅度劣化。這種輕微干擾可能來自數(shù)字控制信號線或電源地線上的細(xì)小的噪聲。

從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，數(shù)字信號一般只在板上或框內(nèi)傳送。比如內(nèi)存總線信號、電源控制信號等，只要保證從發(fā)送端到接收端接收到的干擾不足以影響邏輯狀態(tài)的判別即可。而模擬信號需要經(jīng)過調(diào)制、變頻、放大、發(fā)射、空間傳播、接收、解調(diào)等一系列過程才能被回復(fù)。在此過程之中噪聲不斷地跌價到信號上，從系統(tǒng)的角度來講必須保證最終的信噪比滿足要求才能正確解調(diào)。最大的干擾來自空間傳播的衰減和噪聲，為了達(dá)到更好的通訊性能，必須盡可能減小板內(nèi)互連引入的串?dāng)_。

因此可以認(rèn)為，模擬信號對串?dāng)_的要求比數(shù)字信號高幾十倍，甚至有可能達(dá)到幾萬倍。

2. 高精度 ADC、DAC 電路

理想情況下，線性 ADC、DAC 電路信噪比與轉(zhuǎn)換位數(shù)間的關(guān)系是：

SNR=10Log（F2/N2）=10Log［A2/2/（A2/3×2n）］=6.02n+1.76 dB

對于14位的線性ADC、DAC，如果使最低位數(shù)據(jù)（LSB）有效，可計算出的理論上的信噪比為 86dBc，與數(shù)字電路約 20dBc 的串?dāng)_要求相比，高精度 14 位線性 ADC、DAC 對噪聲的要求至少比數(shù)字信號高 1000 倍。當(dāng)然，如果最低有效位數(shù)只需要 11 位，串?dāng)_要求就可以適當(dāng)放低，但仍然比數(shù)字信號的要求高很多。

上面的兩種情況，說明數(shù)?；旌蠁伟逯校M電路極易受到干擾，會影響信噪比等指標(biāo)。所以在數(shù)?；旌蠁伟?設(shè)計過程中，要對布局布線提出很高的要求。

3. 數(shù)字信號對于模擬信號是強(qiáng)干擾源

數(shù)字信號的電平相對于模擬信號來講非常高，并且數(shù)字信號包含有豐富的諧波頻率，因此數(shù)字信號對于模擬信號而言，本身就是很強(qiáng)的干擾源。特別是大電流的時鐘信號、開關(guān)電源等更是在數(shù)?；旌显O(shè)計中需要關(guān)注的強(qiáng)干擾源。

4. 數(shù)?；旌匣ミB設(shè)計的根本目的

我們可以這樣來理解數(shù)模設(shè)計問題，對于數(shù)字電路我們遵循數(shù)字電路的設(shè)計規(guī)則，在數(shù)字電路區(qū)域，可以允許較大的干擾存在，只要不影響系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和對外EMC指標(biāo)即可。

我們這里所講的“較大”是相對于模擬電路而言的。對于數(shù)字電路，我們沒有必要也不可能象對待模擬電路一樣地控制串?dāng)_的存在。對于模擬電路，我們必須遵循模擬電路的設(shè)計規(guī)則，在模擬電路區(qū)域所允許存在的干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)字電路區(qū)域。

數(shù)?；旌匣ミB設(shè)計的目的就是要通過合理的布局、布線、屏蔽、濾波、電源地分割等設(shè)計方法來保證數(shù)字信號的干擾只存在于數(shù)字信號區(qū)域。

我們需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容包括干擾源、敏感電路、干擾途徑。下面將從這 3 個方面來講述采用的布局布線原則。成功的數(shù)模混合單板設(shè)計必須仔細(xì)注意整個過程中每個步驟及每個細(xì)節(jié)才有可能實(shí)現(xiàn)，這意味著必須在設(shè)計開始階段就要進(jìn)行徹底的、仔細(xì)的規(guī)劃，并對每個設(shè)計步驟的工作進(jìn)展進(jìn)行全面持續(xù)地評估。對于布局和布線必須仔細(xì)地檢查和核對，要保證百分之百遵守布局布線規(guī)則。否則，一條信號線走線不當(dāng)就會徹底破壞一個本來非常不錯的電路板。

規(guī)則是死的，透過規(guī)則深刻理解原則才能保證我們能正確運(yùn)用規(guī)則，完成優(yōu)秀的設(shè)計。

二、電路種類區(qū)分

在講解數(shù)?；旌显O(shè)計布局規(guī)則之前，現(xiàn)對終端板上的干擾源、敏感電路做以及干擾途徑一個區(qū)分，了解這些干擾源和敏感電路能夠幫助我們正確制定布局和布線方案，另外對干擾途徑的理解至關(guān)重要。

1. 模擬電路

對于終端產(chǎn)品，模擬電路包括所有射頻電路、射頻電源、射頻控制電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、音頻電路。所用以上模擬電路都是敏感電路，其中特別需要關(guān)注的敏感電路包括頻終電路（包括本振信號、頻綜電路的電源以及控制信號）、接收前端電路、音頻電路。

2. 干擾源

干擾源包括所有數(shù)字電路、大功率射頻電路（功放、天線和其他大功率射頻電路）。其中特別需要關(guān)注的干擾源包括時鐘電路、開關(guān)電源、大電流的電源線、功放電路、天線電路。對于功放、天線等射頻信號的干擾在本規(guī)范射頻設(shè)計部分分析。

3. 干擾途徑

對于數(shù)?；旌显O(shè)計需要關(guān)注的干擾途徑包括：空間輻射、電源地（平面或走線）、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、模擬電路的各種控制信號。

（1）空間輻射：相互靠近的電路之間會通過輻射產(chǎn)生串?dāng)_，這與數(shù)字信號串?dāng)_的概念是相同的，但需要注意的是，模擬信號能夠容忍的串?dāng)_要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)字信號，因此有必要在布局階段就對串?dāng)_進(jìn)行控制。減小空間輻射的方式一般是拉遠(yuǎn)布局的距離合使用屏蔽盒。

（2）電源地：電源地是數(shù)字與模擬電路公共的回路，因此干擾干擾信號可能通過電源地導(dǎo)體傳導(dǎo)到敏感電路。控制電源地串?dāng)_的方式是合理使用濾波器件和電源地分割。

（3）數(shù)模轉(zhuǎn)換電路：是模擬于數(shù)字信號的接口，如果布局或布線處理不當(dāng)，比如數(shù)字與模擬電路布局分區(qū)不明確、走線交錯，就可能引起串?dāng)_。

（4）模擬控制信號：理想的模擬器件應(yīng)該是控制信號與模擬電路在器件內(nèi)部是隔離的，控制信號只要能保證正確的邏輯電平即可。但器件往往做不到這一點(diǎn)，控制信號上的干擾號可能直接耦合到模擬電路中。解決方式是盡量降低模擬電路控制信號受到的干擾，合理使用濾波器件。

三、數(shù)?；旌显O(shè)計的布局規(guī)則

規(guī)則 1：模擬器件布局在模擬區(qū)。

規(guī)則 2：數(shù)字器件布局在數(shù)字區(qū)。

規(guī)則 3：數(shù)模混合芯片作為模擬器件處理，布在模擬區(qū)域，但數(shù)字接口需要靠近對應(yīng)的數(shù)字器件布局。

規(guī)則 4：以下電路盡可能使用屏蔽盒進(jìn)行保護(hù)

1. 接收前端電路，包括天線到接受芯片之間的濾波器、LNA、阻抗匹配電路等。

2. 頻率源電路：VCO、鎖相環(huán)芯片、環(huán)路濾波器、晶振等電路。

3. 功放電路。在布局時盡可能是不同的電路有獨(dú)立的供電路徑

規(guī)則 5：在電源進(jìn)入模擬區(qū)之前放置濾波電容