【導(dǎo)讀】很多產(chǎn)品都包含數(shù)模混合的 PCB 設(shè)計(jì)，不同的信號(hào)具有不同的抗干擾能力。在互連設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)不同信號(hào)之間的串?dāng)_進(jìn)行合理的控制才能保證最終產(chǎn)品的指標(biāo)要求。
對(duì)于以下基本概念的理解非常重要，掌握有關(guān)數(shù)模混合設(shè)計(jì)的基本概念，有助于理解后面制定得很嚴(yán)格的布局和布線設(shè)計(jì)規(guī)則，從而在終端產(chǎn)品數(shù)模混合的設(shè)計(jì)時(shí)，不會(huì)輕易打折執(zhí)行其中的重要約束規(guī)則。并且有助于靈活有效地處理數(shù)模混合設(shè)計(jì)方面可能遇到的串?dāng)_問題。
1. 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)在抗干擾能力方面的重要區(qū)別
數(shù)字信號(hào)電平有較強(qiáng)的抗干擾能力，而模擬信號(hào)的抗干擾能力很差。
舉個(gè)例子，3V 電平的數(shù)字信號(hào)，即使接收到 0.3V 的串?dāng)_信號(hào)，也可以容忍，不會(huì)對(duì)邏輯狀態(tài)產(chǎn)生影響。但在模擬信號(hào)領(lǐng)域，有些信號(hào)極微弱，例如 GSM 手機(jī)的接收靈敏度能夠做到-110dBm 的指標(biāo)，僅相當(dāng)于 0.7uV 的正弦波有效值。在 LNA 前端即使接收到 uV 數(shù)量級(jí)的帶內(nèi)干擾噪聲，也足以使基站接收靈敏度大幅度劣化。這種輕微干擾可能來自數(shù)字控制信號(hào)線或電源地線上的細(xì)小的噪聲。
從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，數(shù)字信號(hào)一般只在板上或框內(nèi)傳送。比如內(nèi)存總線信號(hào)、電源控制信號(hào)等，只要保證從發(fā)送端到接收端接收到的干擾不足以影響邏輯狀態(tài)的判別即可。而模擬信號(hào)需要經(jīng)過調(diào)制、變頻、放大、發(fā)射、空間傳播、接收、解調(diào)等一系列過程才能被回復(fù)。在此過程之中噪聲不斷地跌價(jià)到信號(hào)上，從系統(tǒng)的角度來講必須保證最終的信噪比滿足要求才能正確解調(diào)。最大的干擾來自空間傳播的衰減和噪聲，為了達(dá)到更好的通訊性能，必須盡可能減小板內(nèi)互連引入的串?dāng)_。
因此可以認(rèn)為，模擬信號(hào)對(duì)串?dāng)_的要求比數(shù)字信號(hào)高幾十倍，甚至有可能達(dá)到幾萬倍。
2. 高精度 ADC、DAC 電路
理想情況下，線性 ADC、DAC 電路信噪比與轉(zhuǎn)換位數(shù)間的關(guān)系是：
SNR=10Log(F2/N2)=10Log[A2/2/(A2/3×2n)]=6.02n+1.76 dB
對(duì)于14位的線性ADC、DAC，如果使最低位數(shù)據(jù)（LSB）有效，可計(jì)算出的理論上的信噪比為 86dBc，與數(shù)字電路約 20dBc 的串?dāng)_要求相比，高精度 14 位線性 ADC、DAC 對(duì)噪聲的要求至少比數(shù)字信號(hào)高 1000 倍。當(dāng)然，如果最低有效位數(shù)只需要 11 位，串?dāng)_要求就可以適當(dāng)放低，但仍然比數(shù)字信號(hào)的要求高很多。
上面的兩種情況，說明數(shù)模混合單板中，模擬電路極易受到干擾，會(huì)影響信噪比等指標(biāo)。所以在數(shù)模混合單板 PCB 設(shè)計(jì)過程中，要對(duì)布局布線提出很高的要求。
3. 數(shù)字信號(hào)對(duì)于模擬信號(hào)是強(qiáng)干擾源
數(shù)字信號(hào)的電平相對(duì)于模擬信號(hào)來講非常高，并且數(shù)字信號(hào)包含有豐富的諧波頻率，因此數(shù)字信號(hào)對(duì)于模擬信號(hào)而言，本身就是很強(qiáng)的干擾源。特別是大電流的時(shí)鐘信號(hào)、開關(guān)電源等更是在數(shù)模混合設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的強(qiáng)干擾源。
4. 數(shù)模混合互連設(shè)計(jì)的根本目的
我們可以這樣來理解數(shù)模設(shè)計(jì)問題，對(duì)于數(shù)字電路我們遵循數(shù)字電路的設(shè)計(jì)規(guī)則，在數(shù)字電路區(qū)域， 可以允許較大的干擾存在， 只要不影響系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和對(duì)外 EMC 指標(biāo)即可。
我們這里所講的“較大”是相對(duì)于模擬電路而言的。對(duì)于數(shù)字電路，我們沒有必要也不可能象對(duì)待模擬電路一樣地控制串?dāng)_的存在。對(duì)于模擬電路，我們必須遵循模擬電路的設(shè)計(jì)規(guī)則，在模擬電路區(qū)域所允許存在的干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)字電路區(qū)域。
數(shù)模混合互連設(shè)計(jì)的目的就是要通過合理的布局、布線、屏蔽、濾波、電源地分割等設(shè)計(jì)方法來保證數(shù)字信號(hào)的干擾只存在于數(shù)字信號(hào)區(qū)域。
我們需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容包括干擾源、敏感電路、干擾途徑。下面將從這 3 個(gè)方面來講述采用的布局布線原則。成功的數(shù)模混合單板設(shè)計(jì)必須仔細(xì)注意整個(gè)過程中每個(gè)步驟及每個(gè)細(xì)節(jié)才有可能實(shí)現(xiàn)，這意味著必須在設(shè)計(jì)開始階段就要進(jìn)行徹底的、仔細(xì)的規(guī)劃，并對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)步驟的工作進(jìn)展進(jìn)行全面持續(xù)地評(píng)估。對(duì)于布局和布線必須仔細(xì)地檢查和核對(duì)，要保證百分之百遵守布局布線規(guī)則。否則，一條信號(hào)線走線不當(dāng)就會(huì)徹底破壞一個(gè)本來非常不錯(cuò)的電路板。
規(guī)則是死的，透過規(guī)則深刻理解原則才能保證我們能正確運(yùn)用規(guī)則，完成優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。
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