硬件工程师必读攻略-如何通过仿真有效提高数模混合设计性（上）

目录：

前言

一 、数模混合设计的难点

二、提高数模混合电路性能的关键

三、仿真工具在数模混合设计中的应用

四、小结

五、混合信号PCB设计基础问答

前言：

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。 本文通过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。

一 、数模混合设计的难点

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。

二、提高数模混合电路性能的关键

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号，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Tr, Tf以及占空比都有关系。

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。

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。 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。

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。众所周知，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。

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。

分割问题，一直是数模混合电路设计师的一个关注焦点。分割的目的，是为了提高数模之间的隔离度，使得数字部分干扰源的能量尽量少的传递到模拟信号端。然而分割又可能造成信号完整性，或者电源阻抗变化等问题。关于这一点，单纯的说分割或者不分割，单点连接还是提供回流路径，都是不全面的。一方面，分割的目的是提高隔离度，只要不出现跨分割情况，可以做分割，然而不合理的层叠或滤波，反而会降低隔离度，分割没有达到效果；另一方面，只要干扰源的噪声幅度控制的足够低，去耦滤波等策略合适，提高数模之间的隔离度达到一定要求，没有必要做分割；再有，跨分割不是绝对不能出现的，合理的层叠和去耦策略可以有效避免跨分割的影响。