通过仿真有效提高数模混合设计性能——硬件工程师必读攻略

1 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，才能方便做进一步处理。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对数模混合设计PCB进行仿真，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。  

2 数模混合设计难点

在数模混合设计中，有效分辨干扰源、干扰对象以及干扰途径，是分析数模混合设计干扰的基础。

2.1 干扰源、干扰对象

通常电路中的模拟信号，由于电压和电流随时间变化而连续变化，在设计和调试中，需要同时控制这两个变量的话，是比较困难的。他们对外部的干扰比较敏感，所以通常作为被干扰对象做分析。 数字信号相对于模拟信号而言，只有随时间变化的量化后电压成分，抗干扰能力较强。但是这类信号变化快，特别是边沿变化速度极快，高频谐波成分丰富，对外释放能量，所以通常作为干扰源来分析。

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，通常在几十千欧到上兆欧姆。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。

2.2 干扰路径问题

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。

2.3 电源、地的分割问题

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，数字和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号跨分割，信号回流不完整，进而影响信号完整性。

另外，电源的分割还造成电源分配系统的阻抗过高；有人提出“单点连接”：还是做分割，但是在跨分割的信号下方单点连接以避免跨分割问题；但是如果数模之间信号很多，难于分开，这种“单点连接”也存在困难，因而又有人提出不分割，只是保持数字和模拟部分不要交叉；还有一些资料介绍，在跨分割的信号旁边包地线或者并联电容，用来提供完整回流路径。

电源、地平面分割

无论哪种方法，似乎都有一定道理，而且都有成功的先例，然而所有这些分割方案的有效性以及可能存在的问题，一直没有检验的标准。

2.4 模型问题

数模混合电路的仿真，还存在模型的问题。业界普遍接受的模拟电路仿真模型还是 SPICE 模型，数字电路信号完整性分析使用IBIS模型。多家EDA公司的仿真软件已经推出 支持多种模型的混合模型仿真器，然而摆在设计师案头的主要困难是器件模型，特别是模拟器件模型很难得到。对于数字设计而言，时域的瞬态分析，即某一时间点上确定的电压值，是仿真的主要手段，就像调试中的示波器那样直观。没有精确的模型，瞬态分析就无法实现。然而对模拟设计，特别是噪声分析，激励源在时间轴上难于描述或很难预测，只知道他的频率带宽范围和大致幅度，这时候我们通常会引入频域扫频分析，考察扫频信号在关注点的变 化，如同频谱分析仪的作用。或者干脆如网络分析仪（NA）那样考察信号或噪声通过的通道的频域SYZ参数，进而预测干扰发生的频率和幅度。可见，数模混合噪声分析，既需要支持混合模型的仿真器，也需要仿真器同时支持时域分析和频域分析。

仿真模型

3 提高模数电路性能的关键

在解释了数模混合电路仿真存在的主要困难后，下来我们来讨论如何解决这些困难，从而仿真预测数模干扰进而解决数模干扰的问题。 3.1 干扰源的创建 首先是干扰源的创建和设置。干扰源分为电压型和电流型的干扰源，电压型干扰源通常是数字信号本身以及数字电源管脚；电流型干扰源通常是 DC 电源。数字信号通常表现为周期性的方波脉冲信号，在信号与系统教程中我们知道，这类周期信号经傅立叶变换后的频谱，表现为高幅度的离散谱，这些频谱会随着频率的提高而幅度降低，频谱幅度与信号变化沿Tr, Tf以及占空比都有关系。

脉冲信号频率

脉冲信号频谱

数字电源管脚上的噪声，通常由于同步开关噪声（Simultaneous Switch Noise）引起，而同步开关噪声又是由于晶元上 IO 到的电源和地管脚之间的引线电感造成的，这个电压波动会与电感大小和信号开关速度成正比，如下图。现在的大规模 IC 中，管脚更多，封装更大，信号开关速度更快，因而 SSN 会更严重，对模拟信号的干扰也就越大。

对地干扰等效成电感模型

同步开关噪声在时域上表现为幅度较小的随机脉冲，频谱为连续频谱，频谱的幅度不随频率改变而变化，只与噪声大小有关。可见，要精确分析电压型的干扰源的影响，必须精确描述出来他们的时域和频域的特性，才能准确分析。电源（VRM）作为电流型的干扰源，从直流来讲，由于滤波电路和铜箔的电阻率，在 PCB上存在电流分布密度和直流压降，整个压降会影响模拟信号参考电位进而影响模拟电路性能。从交流来讲，整个电路上有源和无源器件作为电源负载，工作频率不一样，电流大小会随频率而变化，而即使负载不随频率变化，电源电流输出也是随频率变化而变化的参数。

对这样一种激励和负载都变化且难以描述的传输系统，我们转入考察电源通道的频域SYZ 参数，特别是电源阻抗Z参数。我们估算出电源系统在工作频率范围内的最大电流，只要确保电源阻抗足够小，就能保证电源电压波动满足指标要求。例如下图，系统最大负荷电流2A，电压3.3V，要求电压噪声控制在 5％即 0.165V，那么从电源到负载处的阻抗只要低于82.5ohm，就能满足系统要求。

电源到负载的阻抗

3.2耦合路径提取

干扰源讨论后，我们再看耦合途径的提取。数模混合噪声，是通过电路传导和电磁场耦合两种方式对电路起作用的。

众所周知，麦克思维方程和基尔霍夫电压电流定律（KCL和 KVL），构成了解决传统电学问题的基础。20 世纪60年代伯克利SPICE 推出后，解决了利用计算机工程计算求解电路KCL和KVL方程的问题，因而如今的电路设计仿真可以利用计算机辅助做到前所未有的规模，在SPICE中，就可以分析噪声通过电路传导的影响。在电磁场计算领域，20世纪80年代出现的有限元法（FEM），特别是Ansoft公司推出的三维结构分析工具HFSS（俗称海飞丝），以其算法的先进和精确，被作为电磁场计算的标准而闻名。然而三维有限元算法，由于工程计算量巨大，一直作为RF微波设计的工具。为了应对 PCB上成百上千条网络的电磁场计算，一些EDA公司开始简化PCB电磁场求解的难度使用解析法，而数字电路对于求解精度要求并不高，这样就出现了专门针对高速数字PCB仿真的信号完整性分析（SI）工具。然而由于解析法固有的局限性，无法考虑诸如跨分割、不完整电源地平面、非理想直流信号的影响，因此无法分析数模混合干扰这样对精度要求更高的电磁场计算。

近年来，Ansoft 推出了专门针对PCB的电磁场分析工具SIwave，考虑到 PCB纵向长度与信号波长之间相差悬殊，它使用2维有限元算法，既保证了精度，又大大降低求解难度。结合了Ansoft的SPICE 仿真器和 2 维有限元电磁场计算的优势，使得对数模混合噪声完整耦合路径提取和分析成为可能。 

3.3分割问题

分割问题，一直是数模混合电路设计师的一个关注焦点。分割的目的，是为了提高数模之间的隔离度，使得数字部分干扰源的能量尽量少地传递到模拟信号端。然而分割又可能造成信号完整性，或者电源阻抗变化等问题。

关于这一点，单纯的说分割或者不分割，单点连接还是提供回流路径，都是不全面的。一方面，分割的目的是提高隔离度，只要不出现跨分割情况，可以做分割，然而不合理的层叠或滤波，反而会降低隔离度，分割没有达到效果；另一方面，只要干扰源的噪声幅度控制的足够低，去耦滤波等策略合适，提高数模之间的隔离度达到一定要求，没有必要做分割；

再有，跨分割不是绝对不能出现的，合理的层叠和去耦策略可以有效避免跨分割的影响。

4 仿真工具在数模混合设计中的应用

Ansoft 公司的“AD-Mix Signal Noise Design Suites”数模混合噪声仿真设计软件包括：PCB全波整板级信号完整性/电源完整性及电磁兼容/电磁干扰仿真设计和参数抽取工具SIwave；Ansoft工具和其他CAD、EDA设计工具的接口AnsoftLinks；电路、系统和多层平面电磁场设计仿真工具Ansoft DesignerSI/Nexxim；此外，还可以选配三维结构电磁场仿真和 EMC分析工具 Eminence。Ansoft 所有的工具都基于Windows 设计风格，菜单和快捷键方式操作方便，可以直接从现有的电路设计软件中导入Ansoft 的仿真软件， 如Protel，PowerPCB，CR5000，Allegro，Boardstation和 Expedition。而且各个模块数据通用，可以相互间直接调用。 4.1导入数据

仿真第一步，通过 Ansoft Links 导入 PCB数据到 SIwave，设置层叠材料特性和厚度信息。当然层厚和材料可以在PCB工具中设定好，直接导入SIwave。

4.2设置数字信号电压型干扰源

第二步，设置数字信号电压干扰源。在Ansoft DesignerSI/Nexxim 中，我们把电路中快速变化的数字信号输出模型调入，通常是IBIS模型。利用IBIS模型输出端口中给出的Vref，Rref 和Cref参数，搭建激励和负载电路做瞬态时域分析。把时域分析的结果输出成频谱参数并以表格方式输出成文本文件，这个随频率变化幅度的扫频源就作为数字信号端的干扰源进行分析了。

4.3同步开关噪声仿真

第三步、仿真同步开关噪声。同步开关噪声作为数字电源脚的电压型干扰源，需要通过时域仿真确定噪声的幅度。首先我们在SIwave中提取包括同步信号的输出输入端口，VRM电源输出到IC 的VCC管脚上的端口的多端口 S 参数模型，并将该模型输出到 Ansoft DesignerSI/Nexxim 中。有时候，器件VCC管脚可能不止一个，SIwave 提供了创建Pin Group的功能，可以将多个相同电平的管脚合成一个Pin Group，然后添加端口。在Ansoft DesignerSI/Nexxim 中，我们给所有的输入输出端口加上仿真模型，通常也是 IBIS 模型，在VRM电源输出添加理想直流源，然后探测VCC管脚上的电压波动，这个波动电压就是SSN。需要指出的是，通常SSN包括PCB和封装上耦合电感引起的电压波动，在这里仿真的只是由于PCB布线引起的部分，如果有IC封装的S参数模型，我们可以仿真完整的SSN。

得到 SSN 的电压后，就可以在SIwave中的VCC管脚上添加独立的扫频源做干扰分析了。所有干扰源确定后，我们就可以在SIwave中做扫频分析，用户可以在自己关心的位置，添加电压探头，输出实际干扰大小波形，也可以将整个PCB的电压波动以动画方式反映。

4.4分析电流型干扰源

第四步，分析电流型干扰源。在 SIwave 中允许用户添加电流型的干扰源，与电压型干扰源类似，这个干扰源的幅度可以是不随频率变化的独立源，也可以是随频率变化的，只要能够给出变化特性。一般来讲，我们可以对已知DC电流大小的电源处添加独立电流源，分析他的电流分布密度和 DC 直流压降。对于频变的电流源，我们只能依靠在电源负载端添加端口，分析随频率变化的电源阻抗Z参数，来评估噪声的大小。

4.5分析隔离度

第五步，分析隔离度。除了以上干扰分析外，SIwave 另外一个主要功能就是考察电源地的分割。在没有有源器件模型，无法给出干扰源幅度的情况下，考察数模之间的隔离度，也是解决问题的一个好方法。在 SIwave 中，在干扰源和受干扰对象点分别添加端口，分析S参数，看看隔离情况是否良好。我们在 SIwave 中，做出一个12x10inch 的四层 PCB 例子，分别是顶层信号层，第二层电源，第三层 GND 和底层信号层，再分别模拟两个点作为干扰源和被干扰对象，分析各种情况下的隔离度。

不分割时的隔离度

分割后的隔离度

单点连接时的隔离度

不分割，添加20个电容（10个47uF, 10个0.1uF）后的隔离度

对于跨分割对数字信号的影响，由于传统的SI工具并不能分析，所以常常用设计规则来约束，致使很多情况布局布线困难，或者增加层厚和成本。SIwave 可以精确分析跨分割信号的传输和反射特性，确定分割到底对那个频率的谐波有多大的作用。由于数字信号的频谱离散特性，只要这个波动频点不在谐波处，就不会对信号有太大的影响。此外，我们在跨分割的两个电源上PCB上添加去耦电容，也可以改变波动频点的位置，只要它落在数字信号的转折频率之外，也不会对信号有太大的影响。下图是一个跨分割信号的 S11 和 S21 参数，添加去耦电容后的S11和S21参数比较。

添加电容前S11 和 S21 参数

添加电容后S11 和 S21 参数

5 小结

数模混合噪声的分析，是一个复杂的问题，牵扯到电路求解和电磁场计算的问题，需要时域仿真和频域仿真的协同分析。这里仅提出一点实践中的经验和体会，供大家讨论以求共同进步。电路的设计中没有绝对一成不变的规则，必须针对问题，找到针对性的分析手段和解决方案，方能事半功倍。

　　审核编辑：汤梓红