混合信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)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(shí)際上，凡是必須處理連續(xù)狀態(tài)值信號(hào)（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)。現(xiàn)在的多媒體PC也不例外。

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

在芯片級(jí)，現(xiàn)今的片上系統(tǒng)（SOC）需要有邏輯、模擬和熱力學(xué)設(shè)計(jì)方面的專門技能。為了很好地使用這些IC，板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)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(hù)器件最好。

本文將描述當(dāng)今混合信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些共同的、易犯的錯(cuò)誤，并給出消除和減少這些問題的準(zhǔn)則。在進(jìn)入特定問題和建議之前看一下兩種系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨勢--更小和更快是如如何影響這些問題的，這對(duì)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(jìn)展的關(guān)鍵因素是混合信號(hào)IC解決方案的進(jìn)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(zhì)上是一種手持裝置。它有時(shí)要處在低溫度環(huán)境下，而有時(shí)要經(jīng)受高電壓、靜電放電（ESD）脈沖的沖擊。沒有適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)，蜂窩電話中的一個(gè)或多個(gè)IC可能被損壞。然而，增加外部元件來保護(hù)器件免遭ESD影響，將與系統(tǒng)變?yōu)楦〉内厔荼车?而馳。

另一個(gè)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(guān)技術(shù)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?yàn)槌叽缡且粋€(gè)因素，所以，應(yīng)選擇尺寸最小的無源元件。假若采用線性穩(wěn)壓器，應(yīng)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(biāo)與5年前制造的同類機(jī)相比，其CPU速度快了一個(gè)數(shù)量級(jí)，而CPU的電流消耗也提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)把較快的速度和較高的電流結(jié)合時(shí)，V=L（di/dt)關(guān)系式的"di/dt"部分顯著增大。事實(shí)上，半英寸長的板上地線可能有高于1V的感應(yīng)信號(hào)。

為了達(dá)到較快的速度，用深亞微米（例如0.35μm）尺寸設(shè)計(jì)和制造IC。當(dāng)這些縮小的幾何尺寸提供更快的性能時(shí)，也增加了這些器件對(duì)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(yán)格的功率管理來滿足愈加嚴(yán)格的安全電壓范圍。

現(xiàn)在的10/100 Ethernet網(wǎng)絡(luò)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(duì)過壓損壞相對(duì)不敏感。然而，比較新的芯片是用0.35μm線寬制作的，而且對(duì)電源感應(yīng)的瞬態(tài)和雷電感應(yīng)的瞬態(tài)所引起的閉鎖超載或失效非常敏感。

具有對(duì)稱多處理（SMP）結(jié)構(gòu)和50MHz（或更高頻率）CPU的新式服務(wù)器是功率分配問題的好例子。簡單地做一個(gè)5V電源連接到總線上是不可能的。在500MHz用開關(guān)轉(zhuǎn)換20A或30A以上電流時(shí)，實(shí)際上在每個(gè)使用點(diǎn)都需要一個(gè)獨(dú)立的變換器，而且需要一個(gè)較大的初級(jí)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(gè)帶電系統(tǒng)插入或拔出插板。因此，板和母板都必須適當(dāng)?shù)丶右员Ｗo(hù)。

系統(tǒng)向更小和更快的方向發(fā)展會(huì)引出一些特殊的問題。例如，高電流功率分配對(duì)于小的便攜式手持裝置來說不是一個(gè)大問題。對(duì)臺(tái)式系統(tǒng)和服務(wù)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(duì)這兩種應(yīng)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(duì)過壓條件的敏感度，為此必須巧妙地保護(hù)這些器件，同時(shí)又不至于影響其性能。

任何保護(hù)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(hù)的輸入端。它所施加的電容負(fù)載必須盡可能的小，使得對(duì)正常的輸入信號(hào)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(hù)器件的輸入端轉(zhuǎn)移出去。此外，保護(hù)器件的安全（standing-off)電壓必須高于受保護(hù)端所允許的最大信號(hào)電壓。同樣，其箝位電壓必須低到足以防止所保護(hù)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(hù)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(jié)器件，在電壓低到5V時(shí)工作得很好。它們具有所希望的所有特性：快速響應(yīng)時(shí)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(guān)的電容，即電壓降低電容增加。例如，在5V時(shí)，一個(gè)典型的ESD保護(hù)器件大概有400pF結(jié)電容。這認(rèn)為是在100Base-T Ethernet發(fā)射器或接收器輸入結(jié)點(diǎn)或在通用串行總線（USB）輸入端上的電容負(fù)載。然而正是這類電路最需要瞬態(tài)保護(hù)。

在電壓低于5V時(shí)，不能選用普通TVS二極管。新的TVS技術(shù)所提供的瞬態(tài)和ESD保護(hù)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(dāng)安全電壓和箝位電壓的TVS器件。同時(shí)也應(yīng)注意保護(hù)器件放置在板上的位置以及板上線的走向。

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

必須考慮所有可能的感應(yīng)通路，包括地回路、TVS器件與被保護(hù)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(yīng)盡可能靠近連接器以減少瞬態(tài)耦合進(jìn)入附近的其他連線。

10/100Ethernet板（見圖1）是一個(gè)需要瞬態(tài)保護(hù)的子系統(tǒng)。用在Ethernet開關(guān)和路由器中的器件容易受高能量、雷電感應(yīng)瞬態(tài)的影響。而在設(shè)計(jì)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(gè)端口的扭線對(duì)接口由兩個(gè)差分信號(hào)對(duì)（一個(gè)用于發(fā)射器，一個(gè)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(duì)的不均勻處并且通過變壓器電容耦合到Ethernet IC中。

對(duì)于高信號(hào)頻率（100Mbits/s)和低電源電壓（一般為3.3V），保護(hù)器件必須具有非常低的電容負(fù)載，安全電壓要遠(yuǎn)低于5V。在這種情況下，保護(hù)通路中的寄生電感可導(dǎo)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(hù)發(fā)射器以及發(fā)射器和接收器的差分輸入線。保護(hù)器件和被保護(hù)線之間的通路應(yīng)最短，RJ45連接器和保護(hù)器件之間的通路也應(yīng)最短。保護(hù)器件應(yīng)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(shè)計(jì)得在系統(tǒng)保持電源時(shí)允許插入和拔出插板、插頭。插板或插頭是從帶有信號(hào)、電源和地線的插座插入或拔出的，這很可能產(chǎn)生瞬態(tài)。另外，系統(tǒng)必須能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)其功率以適應(yīng)增大或減小的電流負(fù)載。

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

必須保護(hù)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(gè)TVS器件，以5V和地為基準(zhǔn)。它保護(hù)每一個(gè)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(guān)提供短路電流保護(hù)以及端口開關(guān)轉(zhuǎn)換和失效報(bào)告。

功率管理寫入U(xiǎn)SB規(guī)范。而ESD保護(hù)沒有寫入規(guī)范。

TVS器件可用來提供適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)。元件放置和通路長度仍然是重要的設(shè)計(jì)問題。應(yīng)保持TVS和被保護(hù)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(guān)用于功率管理。在PC主機(jī)中，它們提供對(duì)控制器IC的短路電流保護(hù)和失效報(bào)告。在USB外設(shè)中，它們用于端口開關(guān)轉(zhuǎn)換、失效報(bào)告和電源電壓下降控制。

功率分配

比較一下最近10年P(guān)C所需電流的變化，其電流增加是驚為的。隨著時(shí)鐘頻率的迅速加快，使得PC和服務(wù)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(fù)載上的瞬態(tài)可達(dá)200mV（峰-峰）左右，恢復(fù)時(shí)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(chǎn)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(jìn)的Pentium CPU嚴(yán)格的功率/功率管理要求而開發(fā)出一款離散多相脈寬調(diào)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(qū)動(dòng)FET。

結(jié)語

本文描述了如何預(yù)見和避免某些混合信號(hào)系統(tǒng)易犯錯(cuò)誤的方法。每個(gè)系統(tǒng)都有其本身的問題，而每個(gè)設(shè)計(jì)為員都有其解決問題的獨(dú)特辦法。不管是對(duì)付更困難的保護(hù)還是更精確的功率管理，選擇適當(dāng)?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(hù)器件時(shí)有很多選擇上的考慮。把這些元件放置在板上適當(dāng)?shù)奈恢貌拍苓_(dá)到有效的功率管理或保護(hù)?？紤]周到的連線和地線布局是設(shè)計(jì)中解決的另一個(gè)重要問題。