混合信号系统设计中应注意问题

数字蜂窝电话比其前身模拟蜂窝电话含有更多的模拟功能。实际上，凡是必须处理连续状态值信号（如声音、图像、温度、压力）的任何系统都有自己的模拟功能部分，尽管名称上叫做数字系统。现在的多媒体PC也不例外。

两种系统发展趋势对所涉及的混合信号设计提出了新的挑战。便携式通信设备和计算装 置继续缩小尺寸、减轻重量而增加性能；台式系统则继续增加CPU和通信外设速度。的确，即要设计新式数字板又要避免时扰动、噪声引起的误差和地回波是很难的事情。

在芯片级，现今的片上系统（SOC）需要有逻辑、模拟和热力学设计方面的专门技能。为了很好地使用这些IC，板级和系统级设计人员必须知道在什么地方放置元件、确定板连线和使用保护器件最好。

本文将描述当今混合信号系统设计中的一些共同的、易犯的错误，并给出消除和减少这些问题的准则。在进入特定问题和建议之前看一下两种系统设计趋势--更小和更快是如如何影响这些问题的，这对问题的解决是有帮助的。

"更小"趋势

1999年的蜂窝电话与5年前制造的蜂窝电话相比，其芯片数要少得多，重量和体积明显减小，电池寿命显著延长。此进展的关键因素是混合信号IC解决方案的进展。随着芯片几何尺寸的减小和板上线距的缩短，其物理定律开始失去部分意义。

紧靠在一起的并行线将存在的更大的寄生电容耦合。甚至非邻近线之间的电容耦合也可能成为问题。

蜂窝电话本质上是一种手持装置。它有时要处在低温度环境下，而有时要经受高电压、静电放电（ESD）脉冲的冲击。没有适当的ESD保护，蜂窝电话中的一个或多个IC可能被损坏。然而，增加外部元件来保护器件免遭ESD影响，将与系统变为更小的趋势背道 而驰。

另一个问题是功率管理。蜂窝电话用户希望电池两次充电之间的间隔要长。这意味着DC-DC变换器效率必须高。开关技术是解决方案，但在这种情况下变换器是其本身的潜 在噪声源。必须小心地选择、安置和互连变换器。因为尺寸是一个因素，所以，应选择尺寸最小的无源元件。假若采用线性稳压器，应选择具有特低压降的，使输出保持在最低电池电压。这将使电池在不再能提供足够的功率之前完全放电。

"更快"趋势

1999年中档PC的性能指标与5年前制造的同类机相比，其CPU速度快了一个数量级，而CPU的电流消耗也提高了一个数量级。当把较快的速度和较高的电流结合时，V=L（di/dt)关系式的"di/dt"部分显著增大。事实上，半英寸长的板上地线可能有高于1V的感应信号。

为了达到较快的速度，用深亚微米（例如0.35μm）尺寸设计和制造IC。当这些缩小的几何尺寸提供更快的性能时，也增加了这些器件对瞬态所引起的闭锁超载和其他损害的敏感性。而且这些器件需要更加严格的功率管理来满足愈加严格的安全电压范围。

现在的10/100 Ethernet网络接口卡（NIC）是很好的例子（见图1）。原来的10Base-T芯片是大尺寸CMOS器件，它们对过压损坏相对不敏感。然而，比较新的芯片是用0.35μm线宽制作的，而且对电源感应的瞬态和雷电感应的瞬态所引起的闭锁超载或失效非常敏感。

具有对称多处理（SMP）结构和50MHz（或更高频率）CPU的新式服务器是功率分配问题的好例子。简单地做一个5V电源连接到总线上是不可能的。在500MHz用开关转换20A或30A以上电流时，实际上在每个使用点都需要一个独立的变换器，而且需要一个较大的初级电压电源给所有这些变换器供电。

日益向带电交换能力发展的趋势意味着人们必须能够从一个带电系统插入或拔出插板。因此，板和母板都必须适当地加以保护。

系统向更小和更快的方向发展会引出一些特殊的问题。例如，高电流功率分配对于小的便携式手持装置来说不是一个大问题。对台式系统和服务器来说，延长电池寿命也不成问题。但由瞬态引起的闭锁超载和损害对这两种应用来说，都是需要解决的问题。

闭锁超载和瞬态

向深亚微米IC线宽过渡已增大了对过压条件的敏感度，为此必须巧妙地保护这些器件，同时又不至于影响其性能。

任何保护元件在正常工作期间必须作为高阻抗电路出现在受保护的输入端。它所施加的电容负载必须尽可能的小，使得对正常的输入信号几乎没有影响。然而，在过压的瞬间，同一器件必须成为能量的主要通路，把能量从被保护器件的输入端转移出去。此外，保护器件的安全（standing-off)电压必须高于受保护端所允许的最大信号电压。同样，其箝位电压必须低到足以防止所保护的器件遭受损坏，这是由于在瞬态发生期间，输入端上的电压将是保护器件的箝位电压。

过去，瞬态电压抑制（TVS）二极管能有效地箝位电路板上的瞬态。通常的TVS二极管是固态PN结器件，在电压低到5V时工作得很好。它们具有所希望的所有特性：快速响应时间、低箝位电压和高电流浪涌。普通的YVS二极管具有与电压相关的电容，即电压降低电容增加。例如，在5V时，一个典型的ESD保护器件大概有400pF结电容。这认为是在100Base-T Ethernet发射器或接收器输入结点或在通用串行总线（USB）输入端上的电容负载。然而正是这类电路最需要瞬态保护。

在电压低于5V时，不能选用普通TVS二极管。新的TVS技术所提供的瞬态和ESD保护可降到的2.8V工作电压。为了满足系统的要求。可选用具有适当安全电压和箝位电压的TVS器件。同时也应注意保护器件放置在板上的位置以及板上线的走向。

在保护通路中的寄生电感可导致高电压过冲和IC损坏。这在快速上升时间瞬态（如ESD）的情况下是特别关键的。根据IEC1000-4-2定义，ESD感应的瞬态在1纳秒内到其峰值。对于20nH/inch的线电感，其1/4英寸线将从10A脉冲中产生50V过冲。

必须考虑所有可能的感应通路，包括地回路、TVS器件与被保护线之间的通路以及从连接器到TVS器件的通路。另外，TVS器件应尽可能靠近连接器以减少瞬态耦合进入附近的其他连线。

10/100Ethernet板（见图1）是一个需要瞬态保护的子系统。用在Ethernet开关和路由器中的器件容易受高能量、雷电感应瞬态的影响。而在设计中所采用的深亚微米IC极易受过压闭锁超载的损害。在典型的系统中，每个端口的扭线对接口由两个差分信号对（一个用于发射器，一个用于接收器）组成。发射器输入通常是最易损坏的。致命的放电可能发生在线对的不均匀处并且通过变压器电容耦合到Ethernet IC中。

对于高信号频率（100Mbits/s)和低电源电压（一般为3.3V），保护器件必须具有非常低的电容负载，安全电压要远低于5V。在这种情况下，保护通路中的寄生电感可导致大的电压过冲。

在典型的10/100 Ethernet板（图1）中，用TVS器件来保护发射器以及发射器和接收器的差分输入线。保护器件和被保护线之间的通路应最短，RJ45连接器和保护器件之间的通路也应最短。保护器件应尽可能靠近RJ45连接器以防止瞬态耦合到其他线上。

带电交换/即插即用

现在越来越多的系统设计得在系统保持电源时允许插入和拔出插板、插头。插板或插头是从带有信号、电源和地线的插座插入或拔出的，这很可能产生瞬态。另外，系统必须能够动态地调节其功率以适应增大或减小的电流负载。

USB接口是为台式系统与外设之间提供高速串行接口而设计的。另外，USB接口有一条电压供给线可用来为所连接的外设供电。没有什么东西插入USB插座，它是一个开口插座。由人体静电放电引起的ESD放电脉冲如果进入插座，就会被传入板中而且很容易损坏USB控制器。

必须保护这种高速总线的数据线和电源线。在USB控制器和总线（图2）中用一个TVS器件，以5V和地为基准。它保护每一个端口的D+和D-线有效地把瞬态过压条件箝位到USB控制器芯片的安全电平。功率分配开关提供短路电流保护以及端口开关转换和失效报告。

功率管理写入USB规范。而ESD保护没有写入规范。

TVS器件可用来提供适当的ESD保护。元件放置和通路长度仍然是重要的设计问题。应保持TVS和被保护线之间的通路最短，以及TVS器件紧靠端口连接器。

USB规范要求把固态功率分配并关用于功率管理。在PC主机中，它们提供对控制器IC的短路电流保护和失效报告。在USB外设中，它们用于端口开关转换、失效报告和电源电压下降控制。

功率分配

比较一下最近10年PC所需电流的变化，其电流增加是惊为的。随着时钟频率的迅速加快，使得PC和服务器处于特别高的di/di环境。例如，2.5μH的电感和4×1500μF的电容在负载上的瞬态可达200mV（峰-峰）左右，恢复时间为50μs。更麻烦的事情是CPU从睡眠方式很快过渡到唤醒方式，其所产生的瞬态为20～30A/μs，使功率管理成为头痛的问题。

Dell Computers公司为满足Intel先进的Pentium CPU严格的功率/功率管理要求而开发出一款离散多相脉宽调制（PWM）控制器和降压DC-DC变换器（见图3）。其输出部分（右上方）包括输入电容器以及低端和高端驱动FET。

结语

本文描述了如何预见和避免某些混合信号系统易犯错误的方法。每个系统都有其本身的问题，而每个设计为员都有其解决问题的独特办法。不管是对付更困难的保护还是更精确的功率管理，选择适当的元件是解决问题的第一步。在选用变换器、变换器控制器和TVS保护器件时有很多选择上的考虑。把这些元件放置在板上适当的位置才能达到有效的功率管理或保护。考虑周到的连线和地线布局是设计中解决的另一个重要问题。