【導讀】很多產(chǎn)品都包含數(shù)模混合的 PCB 設(shè)計，不同的信號具有不同的抗干擾能力。在互連設(shè)計過程中必須對不同信號之間的串擾進行合理的控制才能保證最終產(chǎn)品的指標要求。
對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)計的基本概念，有助于理解后面制定得很嚴格的布局和布線設(shè)計規(guī)則，從而在終端產(chǎn)品數(shù)模混合的設(shè)計時，不會輕易打折執(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)計方面可能遇到的串擾問題。
1. 模擬信號與數(shù)字信號在抗干擾能力方面的重要區(qū)別
數(shù)字信號電平有較強的抗干擾能力，而模擬信號的抗干擾能力很差。
舉個例子，3V 電平的數(shù)字信號，即使接收到 0.3V 的串擾信號，也可以容忍，不會對邏輯狀態(tài)產(chǎn)生影響。但在模擬信號領(lǐng)域，有些信號極微弱，例如 GSM 手機的接收靈敏度能夠做到-110dBm 的指標，僅相當于 0.7uV 的正弦波有效值。在 LNA 前端即使接收到 uV 數(shù)量級的帶內(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)字控制信號線或電源地線上的細小的噪聲。
從系統(tǒng)的觀點來看，數(shù)字信號一般只在板上或框內(nèi)傳送。比如內(nèi)存總線信號、電源控制信號等，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。在此過程之中噪聲不斷地跌價到信號上，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，為了達到更好的通訊性能，必須盡可能減小板內(nèi)互連引入的串擾。
因此可以認為，模擬信號對串擾的要求比數(shù)字信號高幾十倍，甚至有可能達到幾萬倍。
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
對于14位的線性ADC、DAC，如果使最低位數(shù)據(jù)（LSB）有效，可計算出的理論上的信噪比為 86dBc，與數(shù)字電路約 20dBc 的串擾要求相比，高精度 14 位線性 ADC、DAC 對噪聲的要求至少比數(shù)字信號高 1000 倍。當然，如果最低有效位數(shù)只需要 11 位，串擾要求就可以適當放低，但仍然比數(shù)字信號的要求高很多。
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，會影響信噪比等指標。所以在數(shù)模混合單板 PCB 設(shè)計過程中，要對布局布線提出很高的要求。
3. 數(shù)字信號對于模擬信號是強干擾源
數(shù)字信號的電平相對于模擬信號來講非常高，并且數(shù)字信號包含有豐富的諧波頻率，因此數(shù)字信號對于模擬信號而言，本身就是很強的干擾源。特別是大電流的時鐘信號、開關(guān)電源等更是在數(shù)模混合設(shè)計中需要關(guān)注的強干擾源。
4. 數(shù)模混合互連設(shè)計的根本目的
我們可以這樣來理解數(shù)模設(shè)計問題，對于數(shù)字電路我們遵循數(shù)字電路的設(shè)計規(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)功能實現(xiàn)和對外 EMC 指標即可。
我們這里所講的“較大”是相對于模擬電路而言的。對于數(shù)字電路，我們沒有必要也不可能象對待模擬電路一樣地控制串擾的存在。對于模擬電路，我們必須遵循模擬電路的設(shè)計規(guī)則，在模擬電路區(qū)域所允許存在的干擾遠遠小于數(shù)字電路區(qū)域。
數(shù)模混合互連設(shè)計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)計方法來保證數(shù)字信號的干擾只存在于數(shù)字信號區(qū)域。
我們需要重點關(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)計必須仔細注意整個過程中每個步驟及每個細節(jié)才有可能實現(xiàn)，這意味著必須在設(shè)計開始階段就要進行徹底的、仔細的規(guī)劃，并對每個設(shè)計步驟的工作進展進行全面持續(xù)地評估。對于布局和布線必須仔細地檢查和核對，要保證百分之百遵守布局布線規(guī)則。否則，一條信號線走線不當就會徹底破壞一個本來非常不錯的電路板。
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用規(guī)則，完成優(yōu)秀的設(shè)計。
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