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[年] 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） 获取更多权威电子书 请登录 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 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能 (上) 2 / 20 获取更多权威电子书 请登录 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。 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能 (上) 3 / 20 获取更多权威电子书 请登录 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。 _ U U(t) U U(t) 模拟电路  数字电路  I I (t)  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 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能 (上)