CMOS数模混合电路

什么是IBIS模型
IBIS（Input/Output Buffer Information Specification）模型是一种基 于V/I 曲线的对I/O BUFFER 快速准 确建模的方法，是反映芯片驱 动和接收电气特性的一种国际标准，提供一种标准的文件格式 来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数， 非常适合 做振荡和串扰等高频效应的计算与仿真。
数模混合电路设计的难点
CMOS
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor): 即互补金属氧化物半导体，是一种大规模 Question： 应用于集成电路芯片制造的原料。采用CMOS技 为什么要选择CMOS作为 术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体 数模混合电路的干扰源？ 管（MOSFET）集成在一块硅片上。 CMOS电压控制的一种放大器件。是组成 CMOS数字集成电路的基本单元。该技术通常用 于生产RAM和交换应用系统，在计算机领域里通 常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、 启动设置等)的ROM芯片。
数模混合电路设计的难点
数模混合电路设计的难点
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。在数字设计看来，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。
直观且容易实现
保密性差 抗干扰能力弱
加强了通信的保密性 提高了抗干扰能力 可构建综合数字通信网
占用频带较宽 技术要求复杂 进行模/数转换时会带来量化误差
数模混合电路设计的难点
数模混合电路设计的难点
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，才方 便做进一步的处理。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。
CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补 结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一 个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功 耗理论上为零。实际上，由于存在漏电流， CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功 耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频 率时）也仅为几mW。
CMOS集成电路的性能及特点
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。
数模混合电路设计的难点
数模混合电路设计的难点
传统的设计中，数字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。 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。
CMOS集成电路的性能及特点
温度稳定性能好 扇出能力强 抗辐射能力强 接口方便
CMOS集成电路的性能及特点
综上所述，决定数模混合处理芯片采用何种技术的因素是多方 面的，性能是主要的方面，但其要推向市场，还要讲究实用化和低 成本。标准CMOS工艺技术，虽然在速度方面比双极、基于化合物半 导体的双极及BiCMOS要稍微逊色，但其在速度方面仍有很大的潜力， 随着互连问题的解决和特征尺寸的进一步微细化，其速度将会继续 提高，而其在低成本、低功耗、高集成度方面的优势使得标准CMOS 工艺技术在高速模拟、数模混合电路的研制中有很大优势，其在较 宽频率范围内仍表现出良好的特性曲线和成本结构。相信随着工艺 的进一步微细化，标准CMOS工艺技术在高速数模混合电路方面将有 很大作为。
数模混合电路设计的难点
数模混合电路设计当中，干扰源、干扰对象和干扰途径的 辨别是分析数模混合设计干扰的基础。通常的电路中，模拟信 号上由于存在随时间变化的连续变化的电压和电流有效成分， 在设计和调试过程中，需要同时控制两个变量，而且他们对于 外部的干扰更敏感，因而通常作为被干扰对象做分析；数字信 号上只有随时间变化的门限量化后的电压成分，相比模拟信号 对干扰有较高的承受能力，但是这类信号变化快，特别是变化 沿速度快，还有较高的高频谐波成分，对外释放能量，通常作 为干扰源。
CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳 压。国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。
CMOS集成电路的逻辑高电平"1"、逻辑低电平"0"分别接近于 电源高电位VDD及电影低电位VSS。当VDD=15V，VSS=0V时，输出 逻辑摆幅近似15V。因此，CMOS集成电路的电压电压利用系数在 各类集成电路中指标是较高的。
数模混合电路设计的难点
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。
CMOS
相对于其他逻辑系列,CMቤተ መጻሕፍቲ ባይዱS逻辑电路具有一下优 点: 1.允许的电源电压范围宽,方便电源电路的设计 ； 2.逻辑摆幅大,使电路抗干扰能力强 ； 3.静态功耗低 ； 4.隔离栅结构使CMOS期间的输入电阻极大,从 而 使CMOS期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列 强得多。
集成
CMOS集成电路的性能及特点
数模混合电路设计的难点
数模混合电路设计的难点
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k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
Fourier transform
提高数模混合电路性能的关键
傅里叶变换能将 满足一定条件的某个 函数表示成三角函数 （正弦和/或余弦函 数）或者它们的积分 的线性组合。在不同 的研究领域，傅里叶 变换具有多种不同的 变体形式。
提高数模混合电路性能的关键
提高数模混合电路性能的关键
提高数模混合电路性能的关键
CMOS数模混合电路的特性分析
高速CMOS
随着现在微电子技术和电子技术的不断飞速发展 使得电路系统的复杂程度日益增加, 而且为了简化电 路, 降低成本, 芯片设计人员往往把模拟电路和数字电 路集成到一个芯片上。现在这种技术多用在无线通信 网络, 多媒体信息处理过程控制和实时控制等系统中, 可以预言, 数模混合信号电路在系统中的应用将越来 越广泛。
CMOS集成电路的性能及特点
CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的 45%，保证值为电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪 声容限电压的绝对值将成比例增加。对于VDD=15V的供电电 压（当VSS=0V时），电路将有7V左右的噪声容限。
CMOS集成电路的性能及特点
CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联 电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小， 但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏 置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通 常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Ω，因此CMOS集成电 路几乎不消耗驱动电路的功率。
什么是SPICE模型
SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是一种功能强大的 通用模拟电路仿真器。可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析 和线性交流分析。被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互 感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导 体器件。SPICE内建半导体器件模型，用户只需选定模型级别并给出合适 的参数。
提高数模混合电路性能的关键
提高数模混合电路性能的关键
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。
提高数模混合电路性能的关键
RCOM-880数模混合型集团电话
数模混合测试系统 数模混合供电设计
在时间上和数量上都是离散的物理量称为数字量。把表示数 字量的信号叫数字信号。把工作在数字信号下的电子电路叫数 字电路。 例如： 用电子电路记录从自动生产线上输出的零件数目时， 每送出一个零件便给电子电路一个信号，使之记1，而平时没有 零件送出时加给电子电路的信号是0，所在为记数。可见，零件 数目这个信号无论在时间上还是在数量上都是不连续的，因此 他是一个数字信号。最小的数量单位就是1个。
什么是IBIS模型
IBIS 是一种简单直观的文件格式，很适合用于类似于 Spice（但不是Spice，因为IBIS 文件格式不能直接被Spice 工 具读取）的电路仿真工具。它提供驱动器和接收器的行 为描述，但不泄漏电路内部构造的知识产权细节。换句 话说，销售商可以用IBIS 模型来说明它们最新的门级设计 工作，而不会给其竞争对手透露过多的产品信息。并且， 因为IBIS 是一个简单的模型，当做简单的带负载仿真时， 比相应的全Spice 三极管级模型仿真要节省10～15 倍的计 算量。
在时间上或数值上都是连续的物理量称为模拟量。把表示模 拟量的信号叫模拟信号。把工作在模拟信号下的电子电路叫模拟 电路。 例如： 热电偶在工作时输出的电压信号就属于模拟信号，因 为在任何情况下被测温度都不可能发生突跳，所以测得的电压信 号无论在时间上还是在数量上都是连续的。而且，这个电压信号 在连续变化过程中的任何一个取值都是具体的物理意义，即表示 一个相应的温度。