解释混合信号电路设计

关键的外卖

• 进入到混合信号电路设计的核心。
• 设计方法来缓解在布局过程中遇到的混合信号问题。
• 地平面设计在混合信号系统中的重要性。

混合信号电路的设计围绕着数据在两种模式之间的存储和传输方式展开。

电子输入和输出可以表示为模拟信号或数字信号，这取决于组件接收和发送信号的机制。虽然这两种格式都有各自的优势，但当模拟和数字设计结合在一起时，真正的力量就会出现。单独地，这两个信号系统只能在各自的域内通信，但是通过使用数字-模拟或模拟-数字转换器(分别为DAC和ADC)，可以在组件的I/O之间进行接口，否则将被锁定在单一模式中。这种结合在设计和开发方面提供了极大的灵活性，在数据采集、存储、传输和其他基本信号特性方面为用户提供了两全一美的服务。

然而，在混合信号电路设计中，没有免费的午餐。如果设计者不小心，模拟和数字电路需求以及操作要求的结合可能导致设计与自身性能作斗争。来确保最佳实践对于模拟系统和数字系统，一些看似矛盾的设计原则将不得不采用。尽管这种混合信号方法可能与传统的电路板布局不同，但最大化信号完整性的最终目标是相同的。

定义和探索混合信号电路设计

混合信号设计是指数字和信号的集成模拟电路在同一个板子里。一般来说，模拟信号起源于电路板的域外，必须转换为数字信号;这就排除了以无数不同数据协议的形式传输的数字信号。虽然混合信号可以共存，但必须注意适当地隔离攻击者和受害者信号，以防止不必要的噪声。通常，模拟信号更容易受到数字信号的影响，因为后者具有快速切换的特性，反之亦然。在设计过程中，这体现为混合信号设计背后的核心理念:隔离。布局应注意模拟和数字电路，这是由工程师在原理图中理想地划分的。

布局规划

布局规划对于任何设计都是至关重要的，但对于混合信号设计领域则需要额外的性能。没有混合信号约束的电路板通常不必担心信号之间的相互作用，以这样一种全面的方式。虽然布局采取了预防措施，以避免过度耦合或路由太靠近电力系统和其他常见的攻击线路中的开关节点，但混合信号规划可能会让人感觉像是两个不同的电路板碰撞，被迫进入一个空间的范围。为了缓解这种情况，设计需要鼓励模拟电路和数字电路之间的分离，作为布局布置准备阶段的中心步骤。

数字和模拟区

虽然在布局过程中有许多因素需要考虑和平衡，但设计师可以从这些因素开始划分董事会分为数字和模拟区域。这种布局方式也与模拟和数字的I/O功能相吻合，分别为:高阻抗模拟输入和高速数字输出将倾向于板的相对边缘，形成易于遵循的设计流程。从那里，最具攻击性或最敏感的信号应该被放置在尽可能远离中心的地方，以最大限度地减少相互作用的可能性。从数字/模拟划分的极端端向内工作，位于中心位置的电路和组件将是那些不太容易受到耦合、串扰等影响的电路和组件，最终到达模拟和数字系统之间的交叉点。

如何解决混合信号设计中的布局问题

有许多布局技术可以促进混合架构中信号传播的最佳实践。在设计过程中遇到的问题可以在系统级别(从地板规划/放置开始)和板的物理特性之间运行，直到并包括互连。用于在混合信号板中隔离模拟和数字的一些常用实现包括:

• 微分耦合对于运算放大器，逆变输出和非逆变输出都需要考虑信号线中存在的固有噪声。这种设置的一个常见问题是，如果两个信号不能解释相同的失真，那么信号就不在相位中，这可能会在运行时导致需要有严格的传播速度公差的敏感信号出现问题。为了实现这一点，两个运算放大器的输入信号被捆绑在高电平上，在源和输入线之间串联一些特征阻抗。正如标准差分对需要在线路之间起到镜像的作用，以理想地消除背景噪声一样，电路设计和布置对于在专用线路中建立信号完整性同样重要。
  
• 屏蔽-屏蔽为设计师提供了一种选择，使他们的设计免受外界的影响。这可能以几种不同的方式发生:可以在相邻的两个层中找到保护环，以保护垂直方向(平行于堆叠)的敏感信号，或在信号层的平面内。从根本上讲，屏蔽背后的思想与健康的地/电源设计没有显著区别:通过在攻击者/受害者信号对之间穿插地层(或迹线)，保护缓慢的模拟信号免受与数字线路相关的快速切换。由于两种输出的相对速度，以及数字起源于模拟信号的事实(反之则不然)，模拟比数字更适合作为混合信号之间的中介。
  
• 额外的方法-在其核心，好的混合信号设计实践是好的通用设计实践。设计人员可以提高性能并限制模拟和数字之间不必要的交互，方法是保持迹线短而直接，并通过路由和设计堆栈，使迹线在相邻层中垂直运行。在垂直方向和水平方向的轨迹之间的交替可以最小化相邻层上信号之间的相互作用。

从数字地面和模拟地面的隔离自然产生的问题是如何做到这一点把它们绑在一起．一般来说，单个节点将代表两个参考电压的并集，但实现可以被视为模拟中数字或反之亦然。前一种原理带来了更好的性能，因为模拟地在任何给定时刻都不太可能经历显著的瞬态电压(对于参考平面)。无论是慢或模拟速度快，当模拟信号碰到该技术的上限和下限时，它在总保真度上本质上具有显著的波段。Digital没有这样的保留，能够在纳秒内快速爬升和俯冲到高电压和低电压阈值。通过在电路中围绕约束更强的两个参考平面设计重叠，更容易确保更脆弱的信号得到充分保护。

放置在两根混合信号线之间的GND线可以中断攻击者/受害者的信号交互。

地在混合信号系统中的压倒性重要性

返回的飞机在两个功能相似但又独立的地面上发挥了一些扩展的作用。最小化返回路径，同时提供一致的参考是任何实际板设计的主要设计因素;忽略或覆盖地平面的作用，以约束电场的能量是电磁干扰泄漏和其他热和电问题的重要原因。如果这还不够，一个不充分的地面可能缺乏作为散热片调节温度的能力，导致组件或板的损坏，甚至更糟，周围的操作人员和财产。尽管地平面设计对于任何电路板来说都是关键，但设计人员需要了解混合信号考虑因素对演算的额外影响。

在设计过程中，地面的作用是一个重要的讨论点。毕竟，如果地是地，那么对于每一侧的混合信号，各自地的目的是什么呢?虽然正确设计的参考平面在所有意图和目的上都是相同的，但问题来自于快速切换数字信号中固有的噪声。如果没有缓解技术，这种噪声很容易与更敏感的模拟信号返回路径耦合，导致性能不稳定。

也许解决混合系统的两个基础的最危险的尝试是设计师们形成一个返回带有间隙的层分离两个地平面。虽然这一决定背后的动力看似合理，但现实是，参考平面覆盖的缺口导致回流电流形成更长的环形回路，导致EMI发射，可能导致测试期间的故障。更糟糕的是，模拟或数字设备的返回路径可能会发现它们最无意的(从设计人员的角度来看)直接通过交替混合信号模式的引脚。看似微小的调整，如重塑铜平面/形状以缩小模拟和数字参考的相遇空间，可能会产生高密度电流区域的效果，如果设计缺乏充分散热的能力，则可能导致材料应力和故障。

大的，完整的平面与最小的凹在周长允许电流充分扩散通过平面，同时遵循其路径阻抗最小。对于混合信号系统，唯一需要考虑的是数字地面和模拟地面之间的相互作用。假设布局大致分离了模拟电路和数字电路，特别强调最不兼容的I/O模拟和数字信号，在两个参考平面上的路由应该是相同的，没有任何有意义的区别。

不合理的地面设计并不总是那么令人兴奋，但它同样具有破坏性。

混合信号电路设计与标准设计没有太大区别——即使是最环保的设计师也可能对基本概念有一定程度的熟悉。无论您的专业知识水平如何，Cadence都提供了全面的PCB设计和分析软件封装即能覆盖混合信号电路设计的所有需求。随着PCB特征密度和设计复杂度的上升，OrCAD PCB设计有助于简化设计过程;凭借其直观的用户界面，设计师不必为了一个易于导航的软件布局解决方案而牺牲功能和功能。