混合信號系統(tǒng)設計中應注意問題

數(shù)字蜂窩電話比其前身模擬蜂窩電話含有更多的模擬功能。實際上，凡是必須處理連續(xù)狀態(tài)值信號（如聲音、圖像、溫度、壓力）的任何系統(tǒng)都有自己的模擬功能部分，盡管名稱上叫做數(shù)字系統(tǒng)?，F(xiàn)在的多媒體PC也不例外。

兩種系統(tǒng)發(fā)展趨勢對所涉及的混合信號設計提出了新的挑戰(zhàn)。便攜式通信設備和計算裝 置繼續(xù)縮小尺寸、減輕重量而增加性能；臺式系統(tǒng)則繼續(xù)增加CPU和通信外設速度。的確，即要設計新式數(shù)字板又要避免時擾動、噪聲引起的誤差和地回波是很難的事情。

在芯片級，現(xiàn)今的片上系統(tǒng)（SOC）需要有邏輯、模擬和熱力學設計方面的專門技能。為了很好地使用這些IC，板級和系統(tǒng)級設計人員必須知道在什么地方放置元件、確定板連線和使用保護器件最好。

本文將描述當今混合信號系統(tǒng)設計中的一些共同的、易犯的錯誤，并給出消除和減少這些問題的準則。在進入特定問題和建議之前看一下兩種系統(tǒng)設計趨勢--更小和更快是如如何影響這些問題的，這對問題的解決是有幫助的。

"更小"趨勢

1999年的蜂窩電話與5年前制造的蜂窩電話相比，其芯片數(shù)要少得多，重量和體積明顯減小，電池壽命顯著延長。此進展的關鍵因素是混合信號IC解決方案的進展。隨著芯片幾何尺寸的減小和板上線距的縮短，其物理定律開始失去部分意義。

緊靠在一起的并行線將存在的更大的寄生電容耦合。甚至非鄰近線之間的電容耦合也可能成為問題。

蜂窩電話本質上是一種手持裝置。它有時要處在低溫度環(huán)境下，而有時要經受高電壓、靜電放電（ESD）脈沖的沖擊。沒有適當?shù)腅SD保護，蜂窩電話中的一個或多個IC可能被損壞。然而，增加外部元件來保護器件免遭ESD影響，將與系統(tǒng)變?yōu)楦〉内厔荼车?而馳。

另一個問題是功率管理。蜂窩電話用戶希望電池兩次充電之間的間隔要長。這意味著DC-DC變換器效率必須高。開關技術是解決方案，但在這種情況下變換器是其本身的潛 在噪聲源。必須小心地選擇、安置和互連變換器。因為尺寸是一個因素，所以，應選擇尺寸最小的無源元件。假若采用線性穩(wěn)壓器，應選擇具有特低壓降的，使輸出保持在最低電池電壓。這將使電池在不再能提供足夠的功率之前完全放電。

"更快"趨勢

1999年中檔PC的性能指標與5年前制造的同類機相比，其CPU速度快了一個數(shù)量級，而CPU的電流消耗也提高了一個數(shù)量級。當把較快的速度和較高的電流結合時，V=L（di/dt)關系式的"di/dt"部分顯著增大。事實上，半英寸長的板上地線可能有高于1V的感應信號。

為了達到較快的速度，用深亞微米（例如0.35μm）尺寸設計和制造IC。當這些縮小的幾何尺寸提供更快的性能時，也增加了這些器件對瞬態(tài)所引起的閉鎖超載和其他損害的敏感性。而且這些器件需要更加嚴格的功率管理來滿足愈加嚴格的安全電壓范圍。

現(xiàn)在的10/100 Ethernet網絡接口卡（NIC）是很好的例子（見圖1）。原來的10Base-T芯片是大尺寸CMOS器件，它們對過壓損壞相對不敏感。然而，比較新的芯片是用0.35μm線寬制作的，而且對電源感應的瞬態(tài)和雷電感應的瞬態(tài)所引起的閉鎖超載或失效非常敏感。

具有對稱多處理（SMP）結構和50MHz（或更高頻率）CPU的新式服務器是功率分配問題的好例子。簡單地做一個5V電源連接到總線上是不可能的。在500MHz用開關轉換20A或30A以上電流時，實際上在每個使用點都需要一個獨立的變換器，而且需要一個較大的初級電壓電源給所有這些變換器供電。

日益向帶電交換能力發(fā)展的趨勢意味著人們必須能夠從一個帶電系統(tǒng)插入或拔出插板。因此，板和母板都必須適當?shù)丶右员Ｗo。

系統(tǒng)向更小和更快的方向發(fā)展會引出一些特殊的問題。例如，高電流功率分配對于小的便攜式手持裝置來說不是一個大問題。對臺式系統(tǒng)和服務器來說，延長電池壽命也不成問題。但由瞬態(tài)引起的閉鎖超載和損害對這兩種應用來說，都是需要解決的問題。

閉鎖超載和瞬態(tài)

向深亞微米IC線寬過渡已增大了對過壓條件的敏感度，為此必須巧妙地保護這些器件，同時又不至于影響其性能。

任何保護元件在正常工作期間必須作為高阻抗電路出現(xiàn)在受保護的輸入端。它所施加的電容負載必須盡可能的小，使得對正常的輸入信號幾乎沒有影響。然而，在過壓的瞬間，同一器件必須成為能量的主要通路，把能量從被保護器件的輸入端轉移出去。此外，保護器件的安全（standing-off)電壓必須高于受保護端所允許的最大信號電壓。同樣，其箝位電壓必須低到足以防止所保護的器件遭受損壞，這是由于在瞬態(tài)發(fā)生期間，輸入端上的電壓將是保護器件的箝位電壓。

過去，瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管能有效地箝位電路板上的瞬態(tài)。通常的TVS二極管是固態(tài)PN結器件，在電壓低到5V時工作得很好。它們具有所希望的所有特性：快速響應時間、低箝位電壓和高電流浪涌。普通的YVS二極管具有與電壓相關的電容，即電壓降低電容增加。例如，在5V時，一個典型的ESD保護器件大概有400pF結電容。這認為是在100Base-T Ethernet發(fā)射器或接收器輸入結點或在通用串行總線（USB）輸入端上的電容負載。然而正是這類電路最需要瞬態(tài)保護。

在電壓低于5V時，不能選用普通TVS二極管。新的TVS技術所提供的瞬態(tài)和ESD保護可降到的2.8V工作電壓。為了滿足系統(tǒng)的要求?？蛇x用具有適當安全電壓和箝位電壓的TVS器件。同時也應注意保護器件放置在板上的位置以及板上線的走向。

在保護通路中的寄生電感可導致高電壓過沖和IC損壞。這在快速上升時間瞬態(tài)（如ESD）的情況下是特別關鍵的。根據(jù)IEC1000-4-2定義，ESD感應的瞬態(tài)在1納秒內到其峰值。對于20nH/inch的線電感，其1/4英寸線將從10A脈沖中產生50V過沖。

必須考慮所有可能的感應通路，包括地回路、TVS器件與被保護線之間的通路以及從連接器到TVS器件的通路。另外，TVS器件應盡可能靠近連接器以減少瞬態(tài)耦合進入附近的其他連線。

10/100Ethernet板（見圖1）是一個需要瞬態(tài)保護的子系統(tǒng)。用在Ethernet開關和路由器中的器件容易受高能量、雷電感應瞬態(tài)的影響。而在設計中所采用的深亞微米IC極易受過壓閉鎖超載的損害。在典型的系統(tǒng)中，每個端口的扭線對接口由兩個差分信號對（一個用于發(fā)射器，一個用于接收器）組成。發(fā)射器輸入通常是最易損壞的。致命的放電可能發(fā)生在線對的不均勻處并且通過變壓器電容耦合到Ethernet IC中。

對于高信號頻率（100Mbits/s)和低電源電壓（一般為3.3V），保護器件必須具有非常低的電容負載，安全電壓要遠低于5V。在這種情況下，保護通路中的寄生電感可導致大的電壓過沖。

在典型的10/100 Ethernet板（圖1）中，用TVS器件來保護發(fā)射器以及發(fā)射器和接收器的差分輸入線。保護器件和被保護線之間的通路應最短，RJ45連接器和保護器件之間的通路也應最短。保護器件應盡可能靠近RJ45連接器以防止瞬態(tài)耦合到其他線上。

帶電交換/即插即用

現(xiàn)在越來越多的系統(tǒng)設計得在系統(tǒng)保持電源時允許插入和拔出插板、插頭。插板或插頭是從帶有信號、電源和地線的插座插入或拔出的，這很可能產生瞬態(tài)。另外，系統(tǒng)必須能夠動態(tài)地調節(jié)其功率以適應增大或減小的電流負載。

USB接口是為臺式系統(tǒng)與外設之間提供高速串行接口而設計的。另外，USB接口有一條電壓供給線可用來為所連接的外設供電。沒有什么東西插入USB插座，它是一個開口插座。由人體靜電放電引起的ESD放電脈沖如果進入插座，就會被傳入板中而且很容易損壞USB控制器。

必須保護這種高速總線的數(shù)據(jù)線和電源線。在USB控制器和總線（圖2）中用一個TVS器件，以5V和地為基準。它保護每一個端口的D+和D-線有效地把瞬態(tài)過壓條件箝位到USB控制器芯片的安全電平。功率分配開關提供短路電流保護以及端口開關轉換和失效報告。

功率管理寫入USB規(guī)范。而ESD保護沒有寫入規(guī)范。

TVS器件可用來提供適當?shù)腅SD保護。元件放置和通路長度仍然是重要的設計問題。應保持TVS和被保護線之間的通路最短，以及TVS器件緊靠端口連接器。

USB規(guī)范要求把固態(tài)功率分配并關用于功率管理。在PC主機中，它們提供對控制器IC的短路電流保護和失效報告。在USB外設中，它們用于端口開關轉換、失效報告和電源電壓下降控制。

功率分配

比較一下最近10年PC所需電流的變化，其電流增加是驚為的。隨著時鐘頻率的迅速加快，使得PC和服務器處于特別高的di/di環(huán)境。例如，2.5μH的電感和4×1500μF的電容在負載上的瞬態(tài)可達200mV（峰-峰）左右，恢復時間為50μs。更麻煩的事情是CPU從睡眠方式很快過渡到喚醒方式，其所產生的瞬態(tài)為20～30A/μs，使功率管理成為頭痛的問題。

Dell Computers公司為滿足Intel先進的Pentium CPU嚴格的功率/功率管理要求而開發(fā)出一款離散多相脈寬調制（PWM）控制器和降壓DC-DC變換器（見圖3）。其輸出部分（右上方）包括輸入電容器以及低端和高端驅動FET。

結語

本文描述了如何預見和避免某些混合信號系統(tǒng)易犯錯誤的方法。每個系統(tǒng)都有其本身的問題，而每個設計為員都有其解決問題的獨特辦法。不管是對付更困難的保護還是更精確的功率管理，選擇適當?shù)脑墙鉀Q問題的第一步。在選用變換器、變換器控制器和TVS保護器件時有很多選擇上的考慮。把這些元件放置在板上適當?shù)奈恢貌拍苓_到有效的功率管理或保護?？紤]周到的連線和地線布局是設計中解決的另一個重要問題。