避免混合讯号系统的设计陷阱

内容:要想成功的运用现在的SOC，板级和系统级设计师必须了解如何最好地放置元件，布置走线，以及利用保护元件。

它们被称为数码式蜂窝电话，但其中所包含的模拟功能，比较起所谓的模拟蜂窝电话之前度品种还要多。事实上，需要处理连续状态值（例如语音，影像，温度，压力等）的任何系统，都会有它的模拟功能，那怕是在其名字里出现数码式这个词语。今天的多媒体PC也毫无例外，它们有着语音和影像的输入和输出，对发热的中央处理机进行迫切的温度监示，以及高性能调制解调器，这些系统同样地，其混合讯号功能清单上的项目也愈来愈多。
两种系统的趋势对於进行混合设计的人们来说，又带来了新的挑战。便携式通讯和运算器件的体积重量不断减少，但又不断地推高功能。而桌面系统又不断提高中央处理机能力和通讯周边的速度。肯定的是，在设计现代的数码电路板同时又要避免振铃、噪声引致的差错，和地电位跳动等问题，实在相当困难的。但是，当你添加那些易受噪声影响的模拟讯号线路逼近於方波激励的数码式数据线路，问题更为严重。
在芯片级，现时的SOC（芯片上的系统）需要有逻辑电路、模拟电路，以及热动力学设计方面的专才。要成功地使用这些IC，板级和系统级设计师需要了解如何最好地放置元件，布置走线，以及利用保护元件。
本文讲述的是现时混合讯号系统设计中的常见陷阱，并提供一些指引以清除或移开它们。不过，在探讨特定问题和作出提议之前，先详细看看系统设计的两种潮流—小型化和高速化—如何影响这些问题，会有很大的帮助。

“小型化”的趋势
拿1999年的蜂窝电话与五年前的产品作个比较，芯片数目少得很多，重量和体积大幅减少，电池寿命大幅延长。在这个进程中，主要因素是混合讯号IC解决方案中有很大进展。不过，随着芯片几何尺寸的缩减，电路板上布线的间距趋近，物理学的规律开始呈现出来。
并行的走线愈来愈接近产生了愈来愈大寄生电容耦合，而这简直是和距离平方成反比关系的结果，以前只有少数几根走线的空间，现在纳入了许多走线，结果，甚至是不相邻的走线之间的电容性耦合也会构成问题。
蜂窝电话，由其性质所决定，是被人拿着使用的设备。在低温度的日子里，你正在地毯上走来走去，然後拿起蜂窝电话，接着“啪”—这就会把一个高电压，静电放电（ESD）脉冲传到这个设备那里。如果没有适当的ESD保护，一个或多个IC有可能受到损坏。不过，增添外部元件来保护ESD的破坏又会与小型化趋势相违背。
另一个问题是能源管理，蜂窝电话用户希望电池的两次充电之间隔愈长愈好。这意味着DC-至-DC转换器必须是很高效率的。开关技术是它的答案，但在此情况下，转换器也成了它自己的潜在噪声源。所以必须小心选择、放置转换器，也要小心进行互连。还有，由於体积是不可忽视的因素，应该选择可以采用物理尺寸最小的无源元件的那种部件。如果采用线性稳压器的话，应该挑选超低压差式的，可让输出维持於最小电池电压。这就能让电池不再提供足够电能之前尽行地放电。