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2020
03-07

电路设计的难点是什么?

电路设计的难点是: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 Ansoft 公司的“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。

本文转载自:http://www.tfmcu.com/TechnologyNews/9b1f5499-324d-c741-3710-98dee2a27bf7.shtml

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