ASIC修复嘈杂的模拟“哎呀”

良好的专用集成电路 （ASIC） 可享受 90% >首次硅成功。您可能想知道为什么我们要讨论“修复”此问题的方法？毕竟，ASIC几乎可以工作，没有时间旋转它，仍然满足市场窗口。听起来很耳熟？不幸的是，墨菲定律1这句话说，“任何可能出错的事情，都会在最糟糕的时候出错，”在这里适用。无论我们如何仿真、构建现场可编程门阵列 （FPGA） 和原型设计，都会有惊喜。小事情需要改进。然后，就在你认为你正在接近的时候，销售人员说如果没有另一个“小”功能，他们就无法销售该设备。当然，介绍的最后期限不能延长。这部剧并不陌生，它可能是ASIC设计师的噩梦。

数字电路相对容易修复，因为它们往往是黑白的，开或关。但是，当ASIC上出现模拟问题时会发生什么？这可能令人生畏。模拟问题包括几乎正常工作的事情。只是有点吵;它需要更多的收益;它需要稍作调整来校准它，使其进入范围，或补偿另一个组件的公差。如果优化ASIC如此简单，我们中的许多人会少喝咖啡，睡得更好。

我们一直在ASIC上看到模拟设计错误。我们拿起一块板子，在角落里是一段“哎呀逻辑”，这个设计功能在当时看起来是正确的，但现在显然不起作用。本文讨论了修复“糟糕”的方法。我们提供了添加外部电路的提示和技巧，以使许多这些ASIC可用于原型设计，或者在许多情况下，可交付产品。我们展示了如何校正模拟电路中的噪声、进行调整、校准增益和失调以及清洁电源。回报是每个人的目标：更快的上市时间，甚至避免额外的ASIC制造旋转。

优化模拟以降低噪声

噪声是混合信号ASIC的常见问题，主要是因为数字逻辑开关噪声会进入敏感的模拟电路。图1显示了每个模块都有自己的电源和接地引脚的最佳布局。尽管如此，数字电路的开关电流具有快速边沿，这些边沿会串扰和反弹接地和电源引脚。

图1.ASIC框图显示了最佳情况下的布局，其中每个模块都有自己的电源和接地。

如果同一封装中有两个芯片（一个模拟芯片和一个数字芯片），并且构建得很像混合体，则这种布局将是理想的选择。这种配置将允许两个真正独立的接地，因为电路不会共享一个共同的硅衬底。唉，在现实世界中，这个ASIC是一个芯片，但拥有尽可能多的独立电源和接地引脚仍然很重要。这为我们在故障排除和修复问题时提供了最大的灵活性。

现在让我们看看优化该电路中某些模块的方法。

微处理器和数字逻辑中的开关噪声

我们从右下角开始检查图1电路，微处理器和其他数字逻辑，它们都是开关噪声源。没有经验的设计师可能会说，“但时钟只有1MHz。这是真的，但是完美方波的边缘有延伸到无穷大的奇次谐波。实际上，能量最多的是前五到七个谐波。同样在时钟系统中，时钟使边沿重合，传播延迟除外。最后，CMOS输出在开关时间内吸收电流。图2显示了电流使用的两种方式：一是充电下一级的电容;第二，在开关时间内为两个晶体管部分供电。请参阅图 3 中的数据。这是一个很小的电流，但是当有数百万个晶体管切换时，它会加起来。

图2.典型的CMOS输入或输出电路使用电流为下一级的电容充电，并在开关时间内为两个晶体管部分供电。

图3.CMOS输入引脚上的电压与电源电流的关系。数据为MAX5391数字电位器。

这让我们何去何从？一些设计人员使用术语“模拟”和“数字”来区分电源域和接地域。我们分别更喜欢“干净”和“肮脏”这两个术语，因为它有助于思考过程。在ASIC内部，接地会反弹，从而将数字接地噪声引入模拟电路。因此，这两个接地域需要连接在一个系统星点上，以保持噪声分离。2电源去耦电容器的选择需要考虑电容器的自谐振。3数字逻辑中的阈值可消除噪声，而模拟电路没有阈值。4

提高ADC的信噪比

现在转到为ADC供电的模拟前端（AFE）。它由多路复用器、放大器和滤波器组成。如果ADC信号有噪声，我们会查看输入信号的信噪比（SNR），以确定我们可以改进的地方。有几个直截了当的问题要问。是否使用了ADC的全范围？我们能否通过放大器和数字电位计增加增益或失调，以居中并优化信号范围？如果输入信号噪声太大，我们是否可以清理电源的电源，甚至使用低噪声参考为其供电？是否存在带外 （OOB） 射频干扰 （RFI） 或电磁干扰 （EMI）？我们是否可以屏蔽电路，添加双绞线，使用差分输入放大器，或添加低通滤波器以共模消除噪声？5,6对这些问题的简短回答是，是的。可以在 ASIC 输入之前执行其中一项或多项操作。

另一个常见问题是进入AFE的信号源。假设传感器不可用或需要更换为其他制造商的零件。情况变得更加复杂，因为替换部件可能具有不同的输出质量;它可能需要使用外部放大器进行阻抗变换、增益或失调，以继续类似的工作。AFE本身可能噪声太大，那么我们是否可以更好地用串联电感、电阻或铁氧体磁珠去耦电源？低噪声基准电压源也可用作电源替代品。

在图1的右侧，我们看到一个基准电压源，可以同时为ADC和DAC供电。还有一个开关选项，用于向ADC馈送一个外部较低噪声基准电压源。这个简单的变化可以改善ADC的信噪比。如果使用可调或可调的基准电压源，则可以调整ADC或DAC的满量程幅度。

DAC输出噪声

现在请看图1的右上方模块，其中我们可以看到DAC后跟一个由放大器和滤波器组成的模拟后端。有一种快速评估DAC噪声和输出调理的方法：将DAC设置为在其范围的10%、50%和90%处输出三个直流电压。我们选择 10%、50% 和 90% 以避免削波或压缩，并保持在线性信号区域。典型的DAC基准输入连接到满量程，零电平连接到地。因此，要了解噪声源，请更改DAC DC值。（频谱分析仪在这里非常有用。基准电压源或电源的噪声在接近满量程时更为明显;任何接地噪声在接近零电平时普遍存在。在内部和外部基准电压源之间切换可揭示该噪声源的差异。此外，请注意ADC和DAC之间通过公共基准电压源的相互作用。在ADC上用干净的直流对DAC进行步进，会显示通过基准电压源路径的串扰。

可能需要增加一个用于滤波的外部放大器，以及用于增益和失调调整以及阻抗转换的数字电位计。

在不增加噪音的情况下为收音机供电

ASIC的左下角有三个无线电块。无线电很有趣，因为发射器可以阻挡或使接收器脱敏。数字开关噪声也可以做同样的事情。这是一个真实世界的例子的好地方，说明可能出错的地方，设计中一个非常具有破坏性的“哎呀”。

几年前，一家公司提供了升级的手机，也允许电子邮件访问。旧手机在我家工作，信噪比很好;新手机需要更多的信号才能工作。设计缺陷变得明显：电子邮件功能的额外数字电路非常嘈杂，以至于电话接收器无法按预期运行。我们不得不在屋顶上安装一个手机中继器，在我的家庭办公室重复信号，以使新手机正常工作。

现在回到我们的主要讨论。我的故事对我们讨论ASIC意味着什么？手机是双工设备。也就是说，它们同时在不同的无线电频率上发送和接收。称为双工器的专用滤波器允许双工通信;它可以防止接收器被更高功率的发射频率所混淆。但是，信号可能会在双面打印器周围泄漏并导致问题。根据定义，双工器不能有效地消除数字开关噪声。无线电接收器信号通过LNA发送。与大多数系统一样，第一个放大器设置SNR，因为后面的放大器看到更高的信号。因此，它们对整体SNR的贡献不大。

最敏感的电源是为LNA供电的电源。用低噪声基准电压源代替该电源可以创造改善接收器性能的奇迹。无线电发射器还可以使用外部MOS晶体管来增加所需的功率。此发射器可能需要校准，以满足美国联邦通信委员会 （FCC） 或其他国家/地区的无线电监管机构的最大功率输出标准。例如，如果发射器中的元件容差允许功率变化±10%，则需要重置容差，以便无线电输出可能在80%和100%之间。合法地说，输出功率永远不能超过100%;较低的功率意味着无线电的范围将减小。在最终测试中对电源输出进行简单的校准可确保最大的无线电范围和性能。校准允许对这些容差进行补偿，连接到功率放大器偏置引脚的简单数字电位计可确保全功率无线电输出。7

现在请看图1的最后一块，即“敏感模拟电路”。我们不知道他们在这里是什么！所以，我们猜测：MEMS加速度计，触摸屏，LCD显示屏，麦克风输入，音频输出，光传感器，面部传感器，露水或湿度传感器，温度传感器，等等。我们生活在一个模拟世界中，我们需要感知它，将其转换为数字，处理它，然后将其转换为模拟来控制我们的模拟世界。如果制造商的电压容差大于预期，或者需要使用两个制造商的产品来满足交付数量，则此示例至少需要添加一个数字电位计来校准LCD对比度。在工厂使用数字电位计校准LCD偏置，使现有的ASIC无需耗时的返工即可运行。

结论

我们可以通过不需要另一个完整布局通道的简单修复来解决多少其他 ASIC 问题？在我们看到它们并尝试之前，我们永远不会知道。工程师们知道墨菲和他的“定律”总是潜伏在设计实验室的阴影中。这就是为什么每个聪明的ASIC设计人员都需要一位经验丰富的模拟工程师来预测问题并解决影响产品上市时间的模拟噪声问题（“糟糕”）。

审核编辑：郭婷