如何提高数模混合电路性能

只看该作者 · 2015-7-28 21:28

在解释了数模混合电路仿真存在的主要困难后，下来我们来讨论如何解决这些困难，从而仿真预测数模干扰进而解决数模干扰的问题。首先是干扰源的创建和设置。干扰源分为电压型和电流型的干扰源，电压型干扰源通常是数字信号本身以及数字电源管脚；电流型干扰源通常是 DC 电源。数字信号通常表现为周期性的方波脉冲信，在信号与系统教程中我们知道，这类周期信号经傅立叶变换后的频谱，表现为高幅度的离散谱，这些频谱会随着频率的提高而幅度降低，频谱幅度与信号变化沿T , T 以及占空比都有关系。

只看该作者 · 2015-7-28 21:32

数字电源管脚上的噪声，通常由于同步开关噪声（Simultaneous Switch Noise）引起，而同步开关噪声又是由于晶元上 IO 到的电源和地管脚之间的引线电感造成的，这个电压波动会与电感大小和信号开关速度成正比，如下图。现在的大规模 IC 中，管脚更多，封装更大，信号开关速度更快，因而 SSN会更严重，对模拟信号的干扰也就越大。

只看该作者 · 2015-7-28 21:33

同步开关噪声在时域上表现为幅度较小的随机脉冲，频谱为连续频谱，频谱的幅度不随频率改变而变化，只与噪声大小有关。
可见，要精确分析电压型的干扰源的影响，必须精确描述出来他们的时域和频域的特性，才能准确分析。

只看该作者 · 2015-7-28 21:45

电源（VRM）作为电流型的干扰源，从直流来讲，由于滤波电路和铜箔的电阻率，在PCB上存在电流分布密度和直流压降，整个压降会影响模拟信号参考电位进而影响模拟电路性能。从交流来讲，整个电路上有源和无源器件作为电源负载，工作频率不一样，电流大小会随频率而变化，而即使负载不随频率变化，电源电流输出也是随频率变化而变化的参数。对这样一种激励和负载都变化且难以描述的传输系统，我们转入考察电源通道的频域 SYZ 参数，特别是电源阻抗Z 参数。我们估算出电源系统在工作频率范围内的最大电流，只要确保电源阻抗足够小，就能保证电源电压波动满足指标要求。例如下图，系统最大负荷电流 2A，电压 3.3V，要求电压噪声控制在 5％即 0.165V，那么从电源到负载处的阻抗只要低于82.5ohm，就能满足系统要求。

只看该作者 · 2015-7-28 21:46

干扰源讨论后，我们再看耦合途径的提取。数模混合噪声，是通过电路传导和电磁场耦合两种方式工作作用的。众所周，麦克思维方程和基尔霍夫电压电流（KCL 和 KVL）定律，构成了解决传统电学问题的基础。20世纪60年代伯克力SPICE推出后，解决了利用计算机工程计算求解电路 KCL 和KVL方程问题，因而如今的电路设计仿真可以利用计算机辅助做到前所未有的规模，在 SPICE中，就可以分析噪声通过电路传导的影响。在电磁场计算领域，20 世纪 80 年代出现的有限元法（FEM），特别是 Ansoft 公司推出的三维结构分析工具HFSS，以其算法的先进和精确，被作为电磁场计算的标准而闻名。然而三维有限元算法，由于工程计算量巨大，一直作为 RF微波设计的工具。为了应对 PCB 上成百上千条网络的电磁场计算，一些EDA公司开始简化 PCB电磁场求解的难度使用解析法，而数字电路对于求解精度要求并不高，这样就出现了专门针对高速数字PCB仿真的信号完整性分析（SI）工具。然而由于解析法固有的局限性，无法考虑诸如跨分割、不完整电源地平面、非理想直流信号的影响，因此无法分析数模混合干扰这样对精度要求更高的电磁场计算。

只看该作者 · 2015-7-28 21:51

近年来，Ansoft 推出了专门针对PCB的电磁场分析工具 SIwave，考虑到 PCB纵向长度与信号波长之间相差悬殊，它使用 2维有限元算法，既保证了精度，又大大降低求解难度。结合了 Ansoft的 SPICE 仿真器和 2维有限元电磁场计算的优势，使得对数模混合噪声完整耦合路径提取和分析成为可能。