避免混合訊號系統(tǒng)的設(shè)計(jì)陷阱

內(nèi)容:要想成功的運(yùn)用現(xiàn)在的SOC，板級和系統(tǒng)級設(shè)計(jì)師必須了解如何好地放置元件，布置走線，以及利用保護(hù)元件。

它們被稱為數(shù)碼式蜂窩電話，但其中所包含的模擬功能，比較起所謂的模擬蜂窩電話之前度品種還要多。事實(shí)上，需要處理連續(xù)狀態(tài)值（例如語音，影像，溫度，壓力等）的任何系統(tǒng)，都會有它的模擬功能，那怕是在其名字里出現(xiàn)數(shù)碼式這個詞語。今天的多媒體PC也毫無例外，它們有著語音和影像的輸入和輸出，對發(fā)熱的中央處理機(jī)進(jìn)行迫切的溫度監(jiān)示，以及高性能調(diào)制解調(diào)器，這些系統(tǒng)同樣地，其混合訊號功能清單上的項(xiàng)目也愈來愈多。
兩種系統(tǒng)的趨勢對於進(jìn)行混合設(shè)計(jì)的人們來說，又帶來了新的挑戰(zhàn)。便攜式通訊和運(yùn)算器件的體積重量不斷減少，但又不斷地推高功能。而桌面系統(tǒng)又不斷提高中央處理機(jī)能力和通訊周邊的速度。肯定的是，在設(shè)計(jì)現(xiàn)代的數(shù)碼電路板同時又要避免振鈴、噪聲引致的差錯，和地電位跳動等問題，實(shí)在相當(dāng)困難的。但是，當(dāng)你添加那些易受噪聲影響的模擬訊號線路逼近於方波激勵的數(shù)碼式數(shù)據(jù)線路，問題更為嚴(yán)重。
在芯片級，現(xiàn)時的SOC（芯片上的系統(tǒng)）需要有邏輯電路、模擬電路，以及熱動力學(xué)設(shè)計(jì)方面的專才。要成功地使用這些IC，板級和系統(tǒng)級設(shè)計(jì)師需要了解如何好地放置元件，布置走線，以及利用保護(hù)元件。
本文講述的是現(xiàn)時混合訊號系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常見陷阱，并提供一些指引以清除或移開它們。不過，在探討特定問題和作出提議之前，先詳細(xì)看看系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩種潮流—小型化和高速化—如何影響這些問題，會有很大的幫助。

“小型化”的趨勢
拿1999年的蜂窩電話與五年前的產(chǎn)品作個比較，芯片數(shù)目少得很多，重量和體積大幅減少，電池壽命大幅延長。在這個進(jìn)程中，主要因素是混合訊號IC解決方案中有很大進(jìn)展。不過，隨著芯片幾何尺寸的縮減，電路板上布線的間距趨近，物理學(xué)的規(guī)律開始呈現(xiàn)出來。
并行的走線愈來愈接近產(chǎn)生了愈來愈大寄生電容耦合，而這簡直是和距離平方成反比關(guān)系的結(jié)果，以前只有少數(shù)幾根走線的空間，現(xiàn)在納入了許多走線，結(jié)果，甚至是不相鄰的走線之間的電容性耦合也會構(gòu)成問題。
蜂窩電話，由其性質(zhì)所決定，是被人拿著使用的設(shè)備。在低溫度的日子里，你正在地毯上走來走去，然後拿起蜂窩電話，接著“啪”—這就會把一個高電壓，靜電放電（ESD）脈沖傳到這個設(shè)備那里。如果沒有適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)，一個或多個IC有可能受到損壞。不過，增添外部元件來保護(hù)ESD的破壞又會與小型化趨勢相違背。
另一個問題是能源管理，蜂窩電話用戶希望電池的兩次充電之間隔愈長愈好。這意味著DC-至-DC轉(zhuǎn)換器必須是很高效率的。開關(guān)技術(shù)是它的答案，但在此情況下，轉(zhuǎn)換器也成了它自己的潛在噪聲源。所以必須小心選擇、放置轉(zhuǎn)換器，也要小心進(jìn)行互連。還有，由於體積是不可忽視的因素，應(yīng)該選擇可以采用物理尺寸小的無源元件的那種部件。如果采用線性穩(wěn)壓器的話，應(yīng)該挑選超低壓差式的，可讓輸出維持於小電池電壓。這就能讓電池不再提供足夠電能之前盡行地放電。

“高速化”趨勢
將1999年中檔PC的規(guī)格與五年前的相比較，它的中央處理機(jī)速度提高了大約一個數(shù)量級，而由CPU消耗的電流也提高了約一個數(shù)量級。當(dāng)你將高速度和大電流結(jié)合一起，V=L（di/dt）關(guān)系式中的“di/dt”部份大幅地提高。事實(shí)上，電路板中半寸長的地線可能會感應(yīng)起超過1伏特的電壓於其上。對於轉(zhuǎn)換器來說，地電位參考線會感應(yīng)電壓的話，可能導(dǎo)致運(yùn)作停止。
為要達(dá)致這些更高的速度，IC在設(shè)計(jì)和制造上都采用深度次微米尺寸（例如0.35μm）。這雖然縮減了幾何尺寸而得到快得多的性能，但也會令這些器件更容易招致鎖上（latch-up）及由瞬變引起的損害。而且，這些器件也要求更緊逼的能源管理以符合愈來愈嚴(yán)格的允許電壓范圍。
現(xiàn)時的10／100Ethernet網(wǎng)絡(luò)介面卡（NIC）就是良好的例子，原來的10Base－T芯片是大尺寸的CMOS器件，對於過電壓損壞相對地是不那麼敏感的。然而，新型的芯片采用了0.35μm的線寬，對於鎖上以及因瞬變而失效非常敏感—因電能引致和雷電引致的瞬變。
現(xiàn)代的服務(wù)器，具有SMP（對稱多處理能力）的體系結(jié)構(gòu)，以及CPU以500MHz或以上的頻率來運(yùn)作，就是能源分布挑戰(zhàn)方面的好例子。你不可以簡單地建造一個5V電源并把布線引到相應(yīng)的總線。以500MHz上限達(dá)20A或30A的電流開關(guān)，它要求於每個使用點(diǎn)（point-of-use）實(shí)際上有獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器，還加上一個更大的一級電壓源對這些轉(zhuǎn)換器的全部進(jìn)行供電。
趨勢要求具有熱交換（hotswap）的能力，意味著你要能做到在現(xiàn)用系統(tǒng)里插入或除下電路板。這樣做也是預(yù)告會有瞬變產(chǎn)生的。如此一來，無論插入的板抑或主板都必須有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)作用。
無論小型化或高速化的趨勢都有其獨(dú)特的問題。例如，大電流能源分布對於小型、便攜、手持式設(shè)備來說，就不是個大問題。而對於桌面電腦和服務(wù)器來說，延長的電池壽命也不會成為問題。不過，鎖上和瞬變引致的損壞，在上述兩方面都成為問題。

鎖上和瞬變
對深度次微米IC從線寬的瞬變惡化了關(guān)於過電壓狀態(tài)的敏感性，意味著你要聰明一點(diǎn)，對這些器件進(jìn)行保護(hù)，但同時又不要影響它們的性能。
在一個保護(hù)輸入里，任何保護(hù)元件於正常運(yùn)作下都必須呈現(xiàn)為一個高阻抗電路。它必須加載盡可能小的電容負(fù)荷，例如，假定它是對正常輸入訊號加入小小效應(yīng)的話。不過，在過電壓的一瞬間，那同一個器件必須成為該瞬變電能的主要通路，將它從受保護(hù)器件的輸入中引開。還有，保護(hù)器件的承受電壓應(yīng)該高於它保護(hù)的引腳上的大允許電壓。同理，它的箝位電壓要足夠低，以防止受保護(hù)器件的損壞，這是由於在瞬變情況下，輸入上的電壓會是保護(hù)器件的箝位電壓。
以前，瞬變電壓抑制（TVS）二極管在印刷電路板上有效地將瞬變箝位。傳統(tǒng)的（TVS）二極管是固態(tài)PN結(jié)器件，低至5V的電壓也工作得很好。它們有快速的響應(yīng)時間，低的箝位電壓，高的電流浪涌能力—全都是所希望的特性。不過，傳統(tǒng)TVS二極管的問題是低於5V以下會抬起它的頭。在這里，它們所采用的雪崩技術(shù)是個障礙。要在5V以下達(dá)致Stand-off電壓，要采用高度的摻雜（在1018/cm-3或以上）。這反過來，又會引致更高的電容和漏電電流，兩者都會損害高性能的。傳統(tǒng)的TVS二極管具有電壓相關(guān)的電容，隨電壓減少而增加。例如，在5V下，典型的ESD保護(hù)二極管會有400pF的結(jié)電容。我們可以想像一下，這樣的電容性負(fù)載加於100Base－TEthernet發(fā)射器或接收器的輸入節(jié)點(diǎn)，或加於通用串行總線（USB）輸入，會有甚麼問題。而且，這些正正是需要進(jìn)行瞬變保護(hù)的那些電路類型。
低於5V電壓的情況下，傳統(tǒng)的TVS二極管并非真正的選項(xiàng)。但這也不是說你再無可選擇的了。由加州伯克萊大學(xué)和Semtech公司（加州NewburyPark市）共同開發(fā)的一種新技術(shù)，提供了一直低至2.8V工作電壓的瞬變和ESD保護(hù)。你可以在一系列的TVS器件中去選定一種，具有合適的電容，stand-off電壓，和箝位電壓來符合自己系統(tǒng)的要求。之後，還要考慮應(yīng)把該器件放在板上的甚麼地方，如何給電路板布線等問題。
在保護(hù)通路中的寄生電感會引起高電壓的過沖及令I(lǐng)C損壞。在快速上升時間瞬變的情況尤甚，例如ESD。由ESD感應(yīng)起的瞬變，據(jù)IEC1000-4-2的定義，會在不到1納秒（ns）內(nèi)到達(dá)它的峰值。以走線電感20nH／寸來計(jì)算，4份1寸走線自10A脈沖會引起50V的過沖。
你必須考慮所有可能的感應(yīng)通路，包括地線返回通路，在TVS和保護(hù)線路之間的通路，以及由連接器至TVS器件的通路。而且，TVS器件應(yīng)該盡可能地靠近連接器放置，以便將瞬變耦合到靠近的其他走線。
一塊10／100Ethernet板是需要進(jìn)行瞬變保護(hù)的子系統(tǒng)。在Ethernet交換器和路由器中所用的器件是暴露在高能量，雷電感應(yīng)瞬變之下的。而所用的深度次微米IC在設(shè)計(jì)上對過電壓鎖上又是極度敏感的。在典型系統(tǒng)里，每個端口所用的雙絞線對介面由兩個不同的訊號對所組成—一對用於發(fā)射器，另一對用於接收器。發(fā)射器輸入通常是容易受到損壞的，在一個線路對中會出現(xiàn)有差異的致命性放電，并且透過變壓器以電容性地耦合到EthernetIC。
有一種情況是，訊號頻率很高（100Mbit/s）而供電電壓又低（典型是3.3V），保護(hù)器件必須有很低的容性負(fù)載，而其stand-off電壓遠(yuǎn)低於5V。還有另一種情況，其中在保護(hù)通路中的寄生電感可以導(dǎo)致很大的電壓過沖。為使效率提到高，電路板的布線應(yīng)該是，保護(hù)器和受保護(hù)線路之間的通路必須減至低，而在RJ45連接器和保護(hù)器之間的通路長度也減至低。

熱交換／即插即用
愈來愈多的系統(tǒng)其設(shè)計(jì)是，在系統(tǒng)仍然加電期間，允許插板或插頭隨時插入和拔除。那些插板或插頭會插入到或拔除自帶有訊號，電源線和地線的插座，而且有很高機(jī)會產(chǎn)生瞬變。此外，該系統(tǒng)還能夠動態(tài)地調(diào)整其電源，以適應(yīng)突然增加或減少的電流負(fù)載。
蜂窩電話或其他可攜電子設(shè)備會無心地帶電期間插入到或拔除自充電的系統(tǒng)。這同樣也會產(chǎn)生瞬變。在這里，除了瞬變保護(hù)之外，還需要有能源管理以適應(yīng)突然增加或減少的電流負(fù)載。
USB介面的設(shè)計(jì)，是給桌面系統(tǒng)與周邊設(shè)備之間，提高一種高速的串行介接能力。還有，UB介面有一根電壓供電線，可用來給連接著的周邊設(shè)備供電。如果沒有負(fù)載插入到USB插座里，它就是個開路的插座。由人體靜電對該插座感應(yīng)的ESD脈沖放電，會導(dǎo)通至電路板上，并會輕易地?fù)p壞USB控制器。
你必須確保這種高速總線里，無論數(shù)據(jù)線抑或電源線都采取了保護(hù)。并且，盡管能源管理已被寫入到USB的規(guī)格中，但ESD的保護(hù)卻還沒有。
TVS器件可以用來提供適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)。元件的放置和通路的長度仍然是重要的設(shè)計(jì)問題。同樣的排布指南應(yīng)該仔細(xì)參詳。務(wù)令TVS和受保護(hù)線之間的通路變短，并且務(wù)令TVS器件盡可能靠近端口連接器。
按照USB規(guī)格的需要，應(yīng)該采用固體電路能源分發(fā)開關(guān)器進(jìn)行能源管理。在PC主機(jī)中，它們提供短路電流保護(hù)和差錯報(bào)告給控制器IC。在USB周邊設(shè)備中，它們用來進(jìn)行端口切換，差錯報(bào)告和供電電壓斜降控制。

能源分配
如果將PC的電流量變化與10年前的相比，增幅之大實(shí)在令人驚詫。再加上時鐘頻率的大幅增加，使得PC和服務(wù)器處於極高的di/dt環(huán)境之下。例如，若L為2.5μH及C等於4×1500μF，在負(fù)載上的瞬變其數(shù)量級為200mV峰對峰值，恢復(fù)時間50微秒。使問題更復(fù)雜的還有令CPU進(jìn)入睡眠之類的模式，然後迅速地喚醒起來，所產(chǎn)生的瞬變是每微秒20至30A的范圍，因而變成為能源管理上的頭痛問題。
從轉(zhuǎn)換器觀點(diǎn)來看，di/dt的值左右了對輸出電容的選擇，更特定地是電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。低頻運(yùn)作的轉(zhuǎn)換器需要用大的電容量來存儲兩個工作周期之間的電荷，這就要采用電解電容。這些電解電容雖然有很大的電容量，但隨之而來也有大的ESR和ESL，兩者都有違設(shè)計(jì)者心意的。此外，電解電容體積很大，不適合於表面安裝技術(shù)和緊湊的封裝。
有一種代替的辦法可以降低ESR和ESL的值，簡化生產(chǎn)過程，減少實(shí)際體積。方法是采用稍高頻率的轉(zhuǎn)換器，你就可以選擇陶瓷電容來代替電解電容，并且得到上述的優(yōu)點(diǎn)。同時，藉著采用多相轉(zhuǎn)換器的方案，你更可將負(fù)載需求分擔(dān)開來，每個轉(zhuǎn)換器只需較少的輸入電容，同時又能提供相同總量的電流能力。它的另一個優(yōu)點(diǎn)是降低了輸入紋波電流。在單相轉(zhuǎn)換方案中，輸入紋波電流等於輸出的紋波電流之半。由此，對20A系統(tǒng)而言，其輸入紋波電流是10A。但是，對於四相轉(zhuǎn)換器方案，例如說，就會在這四個轉(zhuǎn)換器中平分這種輸出電流。現(xiàn)在每個供電為5A，而它們的輸入紋波電流為2A。這就可以采用更小型，更便宜的輸入電容器。
DellComputers公司（德州RoundRock市）替它的高速電腦和服務(wù)器系列開發(fā)了一種分立式，多相脈寬調(diào)制（PWM）控制器和反向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器。其設(shè)計(jì)是要符合Intel公司的高級PentiumCPU之緊迫電能／能源管理的要求。該電路自此已由Semtech公司應(yīng)Dell的要求加以集成起來。采取了多相控制器和轉(zhuǎn)換器的方案之後，你就要特別注意電路板的布線問題。高頻下的大電流開關(guān)會影響地平面有電壓的差異。
電路的大電流部份應(yīng)該先行布線，你應(yīng)該采用地平面（groundplate），或應(yīng)該引入隔離或半隔離地平面區(qū)域，限制地電流進(jìn)入特定區(qū)域。由輸入電容器和高端及低端驅(qū)動器輸出FET形成的回路包含了全部大電流，快速瞬變開關(guān)。連接上應(yīng)寬即寬及應(yīng)短則短，以減少回路電感。這樣做就會降低電磁干擾（EMI），降低地注入的電流，并將源振鈴減至小以得到更可靠的門電路開關(guān)訊號。
在上述兩個FET接合點(diǎn)與輸出電感器之間的連接，應(yīng)該是寬的徑跡，同時盡可能地短。輸出電容器應(yīng)該盡可能靠近負(fù)載放置?？焖偎沧冐?fù)載電流是由這個電容器提供的，所以，連接線應(yīng)該既寬且短，以便把電感和電阻減至小。
控制器好置於寧靜地平面區(qū)域內(nèi)，避免輸入電容器和FET回路中的脈沖電流流入這個區(qū)域。高低端地電位參考引腳應(yīng)該返回到極接近控制放大器封裝的地那里。小訊號模擬地和數(shù)碼地應(yīng)該連接到其中一個輸出電容器的地端。決不可以返回到在輸入電容／FET回路內(nèi)部的地。電流感測電阻回路應(yīng)該保持盡可能的短。

聰明地工作
雖然上面的例子說明了一些方法，可預(yù)知和避免混合訊號系統(tǒng)的某些陷阱，但這決不是巨細(xì)無遺的。每個系統(tǒng)都有其自己的挑戰(zhàn)事項(xiàng)，而每個設(shè)計(jì)師都有其獨(dú)特的障礙要跳越。無論對付的是更困難的保護(hù)，或更嚴(yán)格的能源管理，選擇恰當(dāng)?shù)脑鞘紫冗M(jìn)行的事情。在挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器控制器和TVS保護(hù)器件方面，有很廣泛的選擇范圍。把它們放置於電路板上的正確地方就會顯出能源管理和保護(hù)方面有效與否的差別。深思熟慮的布線和地平面的配置則是叁方面的關(guān)鍵問題。 用於低壓電路的TVS
電壓低於5V時，傳統(tǒng)的PN結(jié)型TVS實(shí)際上完全不起作用。不過，有一種增強(qiáng)式穿通二極管（EPD），由加州柏克萊大學(xué)和Semtech公司研制出來。
和雪崩式TVS二極管傳統(tǒng)的PN結(jié)構(gòu)不同，這種EPD器件采用了更復(fù)雜的n+p+p-n+四層結(jié)構(gòu)。它在p+和P-層采用輕摻雜，防止反向偏置的n+p+結(jié)會進(jìn)入雪崩狀態(tài)。
選擇npn結(jié)構(gòu)而不是pnp結(jié)構(gòu)，是因?yàn)樗懈叩碾娮舆w移率和改進(jìn)的箝位特性。藉著小心架構(gòu)制造P-基區(qū)，結(jié)果得到的器件於2.8V至3.3V電壓范圍內(nèi)，取得了出色的漏電，箝位和電容特性。

飽胃口極大的Pentium
Intel的PentiumⅡ規(guī)格里，要求在500ns內(nèi)電流由5A增高至20A，轉(zhuǎn)換率為每微秒30A。而SemteckSC1144多相PWM控制器的能力還勝於任務(wù)所要求的。它提供了對多達(dá)四個反向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器的控制，得到所需的速度和精度。內(nèi)建的5位元DAC可讓輸出電壓作編程輸出，由1.8至2.05V按50mV增量進(jìn)行，由20至3.5V按100mV增量進(jìn)行。
這種多相技術(shù)產(chǎn)生了由90度相移分開的四個精確輸出電壓。然後，這四個經(jīng)數(shù)碼式相移的輸出一起求和，以得到所需的輸出電壓和電流容量。
以每個轉(zhuǎn)換器工作於2MHz來看，設(shè)計(jì)師可以采用陶瓷電容而非電解電容，并且得到體積小，可表面安裝，以及更低的ESR和ESL的好處。