6、聪明地工作
　　虽然上面的例子说明了一些方法，可预知和避免混合讯号系统的某些陷阱，但这决不是巨细无遗的。每个系统都有其自己的挑战事项，而每个设计师都有其独特的障碍要跳越。无论对付的是更困难的保护，或更严格的能源管理，选择恰当的元件是首先进行的事情。在挑战转换器，转换器控制器和TVS保护器件方面，有很广泛的选择范围。把它们放置於电路板上的正确地方就会显出能源管理和保护方面有效与否的差别。深思熟虑的布线和地平面的配置则是第叁方面的关键问题。　　用於低压电路的TVS
　　电压低於5V时，传统的PN结型TVS实际上完全不起作用。不过，有一种增强式穿通二极管（EPD），由加州柏克莱大学和Semtech公司研制出来。
　　和雪崩式TVS二极管传统的PN结构不同，这种EPD器件采用了更复杂的n+p+p-n+四层结构。它在p+和P-层采用轻掺杂，防止反向偏置的n+p+结会进入雪崩状态。
　　选择npn结构而不是pnp结构，是因为它有更高的电子迁移率和改进的箝位特性。藉着小心架构制造P-基区，结果得到的器件於2.8V至3.3V电压范围内，取得了出色的漏电，箝位和电容特性。
　　
　　7、饱胃口极大的Pentium
　　Intel的PentiumⅡ规格里，要求在500ns内电流由5A增高至20A，转换率为每微秒30A。而SemteckSC1144多相PWM控制器的能力还胜於任务所要求的。它提供了对多达四个反向DC-to-DC转换器的控制，得到所需的速度和精度。内建的5位元DAC可让输出电压作编程输出，由1.8至2.05V按50mV增量进行，由20至3.5V按100mV增量进行。
　　这种多相技术产生了由90度相移分开的四个精确输出电压。然後，这四个经数码式相移的输出一起求和，以得到所需的输出电压和电流容量。
　　以每个转换器工作於2MHz来看，设计师可以采用陶瓷电容而非电解电容，并且得到体积小，可表面安装，以及更低的ESR和ESL的好处。　　　　

1. 　　信号隔离技术　　

信号隔离使数字或模拟信号在发送时不存在穿越发送和接收端之间屏障的电流连接。这允许发送和接收端外的地或基准电平之差值可以高达几千伏，并且防止了可能损害信号的不同地电位之间的环路电流。信号地的噪声可使信号受损。隔离可将信号分离到一个干净的信号子系统地。在另一种应用中，基准电平之间的电连接可产生一个对于操作人员或病人不安全的电流通路。信号的性质可以为电路设计人员指明系统可考虑的那些正确的IC。
　　第一类隔离器件依赖于无发送器和接收器来跨越隔离屏障。这种器件曾用于数字信号，但线性化问题迫使模拟信号隔离采用变压器，用调制载波使模拟信号跨越这个屏障。变压器怎么说总是难弄的，而且通常不可能制成IC，所以想出了用电容器电路来耦合调制信号以跨越屏障。作用在隔离屏障上的高转换率瞬态电压可做为单电容屏障器件的信号，所以已开发出双电容差分电路以使误差最小。现在电容屏障技术已应用在数字和模拟隔离器件中。
　　
　　1、隔离串行数据流
　　隔离数字信号有很大选择范围。假若数据流是位串行的，则选择方案范围从简单光耦合器到隔离收发器IC。主要设计考虑包括：
　　·所需的数据速率
　　·系统隔离端的电源要求
　　·数据通道是否必须为双向
　　基于LED的光耦合器是用于隔离设计问题的第一种技术。现在有几件基于LED　　IC可用，其数据速率为10Mbps及以上。一个重要的设计考虑是LED光输出随时间减小。所以在早期必须为LED提供过量电流，以使随时间推移仍能提供足够的输出光强。因为在隔离端可能提供电很有限，所以需要提供过量电流是一个严重的问题。因为LED需要的驱动电流可以大于从简单逻辑输出级可获得的电流，所以往往需要特殊的驱动电路。
　　对于高速应用和在逻辑信号控制下使数据流反向转送的情况，可用Burr-Brown公司的ISO　　150数字耦合器。图1示出ISO150的双向应用电路。通道1控制通道2的传送方向，并配置为从A端传送到B端。加到DIA引脚的信号确定信号的流向。送到B端的高电平把通道2的那一端置为接收模式。而加到通道2A端Mode引脚的低电平则把通道置成发送模式。方向信号的状态在隔离屏障的两边都有。此电路可工作在80MHz的数据率下。
　　位串行通信的第二种变形是正在发展中的差分总线系统装置。这些系统由RS-422、RS-485和CANbus标准描述。某些系统很幸运地具有公共地，而很多系统具有不同电位的结点。当两结点相隔一定距离时，情况就更是如此。Burr-Brown公司的ISO　　422是设计成用于可有这些应用的集成全双工隔离收发器。此收发器可配制为半双工和全双工（见图2）。传输率可达2.5Mbps。此器件甚至还包含了环路（Loop-back）测试功能，所以每个结点都可执行自测试功能。在此模式期间，总线上的数据被忽略。
　　
　　2、隔离并行数据总线系统
　　并行数字数据总线的隔离将增加三个更主要的设计参量：
　　·总线的位宽度
　　·容许的偏移度
　　·时钟速度要求
　　用一排光耦合器可完成这种任务，但支持电路可能很庞杂。光耦合器之间的传播时间失配将导致数据偏移，从而引起在接收端的数据误差。为使这种问题减至最小，ISO508隔离数字耦合器（图3）支持在输入和输出端的双缓冲数据缓存。这种配置将以2MBps的速率传输数据。
　　ISO508有两种工作模式。当CONT引脚被置成低态时，在LE1信号的控制下，数据以同步模式被传送穿越屏障。在LE1高态时，数据从输入引脚传送到输入锁存。当LE1变低态时，数据字节开始传输穿越屏障。在此时间，输入引脚可用于下一代数据字节。在此模式下，可传送的数据率可达2MBps。
　　当CONT引脚被置成高态时，数据在器件内部20MHz时钟的控制下被跨越屏障发送。数据传输对外部锁存使能信号是异步的。数据以串行形式从输入锁存被选通到输出锁存。在一个字节传输完成后，整个字节移入输出锁存，输出锁存将对已传输的数据字节去偏移。对于完整的8位字节，传播延迟将小于1ms。
　　
　　3、模拟信号隔离
　　在很多系统中，模拟信号必须隔离。模拟信号所考虑的电路参量完全不同于数字信号。模拟信号通常先要考虑：
　　·精度或线性度
　　·频率响应
　　·噪声考虑
　　电源要求，特别是对输入级，也应该关注隔离放大器的基本精度或线性度不能依靠相应的应用电路来改善，但这些电路可降低噪声和降低输入级电源要求。
　　Burr-Brown的ISO124使模拟隔离简化。输入信号被占空度调制并以数字方式发送跨过屏障。输出部分接收被调制的信号，把它变换回模拟电压并去掉调制/解调过程中固有的纹波成分。由于对输入信号的调制与解调，所以应遵循采样数据系统的一些限制。调制器工作在500kHz的基频上，所以高于250kHz　　Ngquist频率的输入信号在输出中呈现较低的频率分量。
　　尽管输出级去掉了输出信号中载波频率的大多数，但仍然有一定量的载波信号存在。图4示出了降低系统其余部分中高频噪声污染的组合滤波方法。电源滤波器能显著地降低从电源引脚窜入的噪声。输出滤波器是一个Q为I、3dB频率为50kHz的二极Sallen-key级。这使输出纹波降低5倍。
　　对隔离电压的另一问题是输入级所需的功率。输出级通常以机壳或地为基准，而输入通常浮动在另一个电位上。因此，输入级的电源也必须隔离。通常用一个单电源，而不是理想中使用的+15V和-15V电源。
　　图5示出在ISO124输入级的一个单电压电源结合使用1NA2132双差分放大器，可将摆幅提升到输入信号电平的全范围。唯一的要求是输入端电源电压保持大于9V，这是ISO124输入电压所需要的。
　　INA2132的下半部产生一个VS+电源的一半的输出电压。此电压用作INA2132另一半的REF引脚和ISO124的GND输入是伪地。INA2132的差分输入信号的摆幅可以高于或低于新参考电平。ISO124的输出与输入一样，将是完全双极性的。
　　
　　4、隔离用的多功能IC
　　新的多功能数据采集IC使设计人员有机会在跨越隔离屏时完成多个任务。一个完整的数据采集器件可包含多路模拟开关，可编程增益仪表放大器、A/D转换器和一个或多个数字I/O通道。所有这些功能都是通过一个串行数据口进行控制的。Burr-Brown公司的ADS7870就是这样的一种器件。ADS7870与ISO150一起工作得很好，并示于图6。
　　在此应用中，ADS7870的每个可编程功能都置于主微处理器的控制之下，而该微处理器本身的控制是通过串行通信口写命令到寄存器来实现的。控制特性包括：
　　·多路器的选择
　　·4个差分通道或8个单端通道
　　·可编程仪表放大器的增益设置，1～20
　　·12位A/D转换的初始化
　　此器件的4条数字I/O线也是有用的，可被个别地规定为报告数字信号的状态或输出数字信号。这允许隔离某些支持功能，如通过同一ISO150扩展信号多路器的电平或错误标志读出。
　　
　　　　结语
　　有很多器件可供设计人员选用，并使用在系统中地电位有很大差别的设计中。每一种器件都是针对独特系统要求而设计的。新器件性能集成的高水平使得跨越隔离屏障能实现从前做不到的更复杂的操作。　　
　　第四篇 　　高速数字系统的串音控制
　　　　　　内容：在高频电路中，串音可能是最难理解和预测的，但是，它可以被控制甚至被消除掉。
　　随着切换速度的加快，现代数字系统遇到了一系列难题，例如：信号反射、延迟衰落、串音、和电磁兼容失效等等。当集成电路的切换时间下降到5纳秒或4纳秒或更低时，印刷电路板本身的固有特性开始显现出来。不幸的是，这些特性是有害的，在设计过程中应该尽量设法避开。　　
　　在高频电路中，串音可能是最难理解和预测的，但是，它可以被控制甚至被消除掉。
　　
　　1、串音由何引起？
　　当信号沿着印刷电路板的布线传播时，其电磁波也沿着布线传播，从集成电路芯片一端传到线的另一端。在传播过程中，由於电磁感应，电磁波引起了瞬变的电压和电流。
　　电磁波包括随时间变化的电场和磁场。在印刷电路板中，实际上，电磁场并不限制在各种布线内，有相当一部分的电磁场能量存在於布线之外。所以，如果附近有其它线路，当信号沿一根导线传播时，其电场和磁场将会影响到其它线路。根据麦克斯韦尔方程，时变电及磁场会使邻近导产生电压和电流，因此，信号传播过程中伴随的电磁场将会使邻近线路产生信号，这样，就导致了串音。　　
　　在印刷电路板中，引起串音的线路通常称为“侵入者”。受串音干扰的线路通常称为“受害者”。在任何“受害者”中的串音信号都可被分为前向串音信号和後向串音信号，这两种信号部分地由於电容耦合和电感耦合引起。串音信号的数学描述是非常复杂的，但是，如同湖面上的高速快艇，前向和後向串音信号的某些量化特徵还是能被人们所理解。
　　高速快艇对水产生两种影响。首先，快艇在船头激起浪花，弧形的涟漪好像随着快艇一起前进；其次，当快艇行驶一段时间後，会在身後留下长长的水迹。　　
　　这很类似於信号通过“侵入者”时，“受害者”的反应。“受害者”中有两种串音信号：位於侵入信号之前的前向信号，像船头的水和涟漪；落後於侵入信号的後向信号，像船开远後仍在湖中的水迹。
　　2、前向串音的电容特性
　　前向串音表现为两种相互关联的特性：容性和感性。“侵入”信号前进时，在“受害者”中产生与之同相的电压信号，这个信号的速度与“侵入”信号相同，但又始终位於“侵入”信号之前。这意味着串音信号不会提前传播，而是和“侵入”信号同速并耦合入更多的能量。　　
　　由於“侵入”信号的变化引起串音信号，所以前向串音脉冲不是单极性的，而是具有正负两个极性。脉冲持续时间等於“侵入”信号的切换时间。
　　导线间的耦合电容决定了前向串音脉冲的幅值，而耦合电容是由许多因素决定的，例如印刷电路板的材料，几何尺寸，线路交叉位置等等。幅值和平行线路间的距离成比例：距离越长，串音脉冲就越大。然而，串音脉冲幅值有一个上限，因为“侵入”信号渐渐地失去了能量，而“受害者”又反过来耦合回“侵入者”。　　前向串音的电感特性
　　当“侵入”信号传播时，它的时变磁场同样会产生串音：具有电感特性的前向串音。但是感性串音和容性串音明显不同：前向感性串音的极性和前向容性串音的极性相反。这因为在前进方向，串音的容性部分和感性部分在竞争，在相互抵消。实际上，当前向容性和感性串音相等时，就不存在前向串音。
　　在许多设备中，前向串音相当小，而後向串音成了主要问题，尤其对於长条形电路板，因为电容耦合增强了。但是，在没有仿真的前提下，实际无法知道感性和容性串音抵消到何种程度。
　　如果你测到了前向串音，你就可以根据其极性判别你的走线是容性耦合还是感性耦合。如果串音极性和“侵入”信号相同，容性耦合占主要地位，反之，感性耦合占主要地位。在印刷电路板中，通常是感性耦合更强些。
　　後向串音发生的物理理和前向串音相同：“侵入”信号的时变电场和磁场引起“受害者”中的感性和容性信号。但是这两者之间也有所不同。
　　最大的不同是後向串音信号的持续时间。因为前向串音和“侵入”信号的传播方向及速度相同，所以前向串音的持续时间和“侵入”信号等长。但是，後向串音和“侵入”信号反方向传播，它滞後於“侵入”信号，并引起一长串脉冲。　　
　　与前向串音不同，後向串音脉冲的幅值与线路长度无关，其脉冲持续期是“侵入”信号延迟时间的两倍。为什麽呢？假设你从信号出发点观察後向串音，当“侵入”信号远离出发点时，它仍在产生後向脉冲，直到另一个延迟信号出现。这样，後向串音脉冲的整个持续时间就是“侵入”信号延迟时间的两倍。
　　
　　3、後向串音的反射
　　你可能不关心驱动芯片和接收芯片的串音干扰。然而，你为什麽要关心後向脉冲呢？因为驱动芯片一般是低阻输出，它反射的串音信号多於吸收的串音信号。当後向串音信号到达“受害者”的驱动芯片时，它会反射到接收芯片。因为驱动芯片的输出电阻一般低於导线本身，常常引起串音信号的反射。　　
　　与前向串音信号具有感性和容性两种特性不同，後向串音信号只有一个极性，所以後向串音信号就不能自我抵消。後向串音信号及其反射之後的串音信号的极性和“侵入”信号相同，其幅值是两部分之和。
　　切记，当你在“受害者”的接收端测到後向串音脉冲时，这个串音信号已经经过了“受害者”驱动芯片的反射。你可以观察到後向串音信号的极性和“侵入”信号相反。
　　在数字设计时，你常常关心一些量化指标，例如：不管串音是如何产生，何时产生，前向还是後向的，它的最大噪声容限为150mV。那麽，存在简单的能够精确衡量噪声的方法吗？简单的回答是“没有”，因为电磁场效应太复杂了，涉及到一系列方程，电路板的拓扑结构，芯片的模拟特性等等。
　　
　　4、串音消除
　　从实践观点出发，最重要的问题是如何去除串音。当串音会影响电路特性时，你该怎麽办？
　　你可以采取以下两种策略。一种方法是改变一个或多个影响耦合的几何参量，例如：线路长度、线路之间的距离、电路板的分层位置。另一种方法是利用终端，将单线改成多路耦合线。合理的设计，多线终端能够取消大部分串音。
　　
　　5、线路长度
　　很多设计者认为缩短线路长度是降低串音的关键。事实上，几乎所有电路设计软件都提供了最大并行线路的长度控制功能。不幸的是，仅改变几何数值，是很难降低串音的。
　　因为前向串音受耦合长度影响，所以当你缩短没有耦合关系的线路长度时，串音几乎没有减少。再者，如果耦合长度超过驱动芯片下降或上升时延，耦合长度和前向串音的线性关系会到达一个饱和值，这时，缩短已经很长的耦合线路对减少串音影响甚小。
　　一个合理的方法是扩大耦合线路间的距离。几乎在所有情况下，分离耦合线路能够大大降低串音干扰。实践证明，後向串音幅值大致和耦合线路间的距离的平方成反比，即：如果你将这个距离增加一倍，串音降低四分之叁。当後向串音占主要地位时，这个效果更加明显。
　　
　　6、隔离难度
　　要增大耦合线路间的距离并不是很容易的。如果你的布线非常密，你必须花很多精力才能降低布线密度。如果你担心串音干扰，你可以增加一或二个隔离层。如果你必须扩大线路或网络间的距离，那麽你最好拥有一个便於操作的软件。线路宽度和厚度同样影响串音干扰，但是其影响远小於线路的距离因素。所以，一般很少调整这两个参量。
　　因为电路板的绝缘材料存在介电常数，也会产生线路间的耦合电容，所以降低介电常数也可减少串音干扰。这个效果并不很明显，特别是微带电路　　部分介电质已经是空气了。更重要的是，改变介电常数并不那麽容易，特别是在昂贵的设备中。一个变通的办法是采用较贵的材料，而不是FR-4。
　　介电质厚度，很大长度上影响了串音干扰。一般的，使布线层靠近电源层（Vcc或地），能够降低串音干扰。改善效果的精确数值需要通过仿真来确定。
　　
　　7、分层因素
　　一些印刷电路板设计者仍然不注意分层方法，这在高速电路设计中是个重大失误。分层不但影响传输线的性能，例如：阻抗、延迟和耦合，而且电路工作易於失常，甚至改变。例如，通过减少5mil的介电质厚度来降低串音干扰，这是不可以的，虽然在成本和工艺上都能做到。
　　另外一个容易忽略的因素是层的选择。很多时候，前向串音是微带电路中的主要串音干扰。但是，如果设计合理，布线层位於两个电源层之间，这样就很好地平衡了容性耦合和感性耦合，具有较低幅值的後向串音便成为主要因素。所以，仿真时你必须注意，是哪种串音干扰占主要地位。　　
　　布线和芯片的位置关系对串音也有影响。因为後向串音到达接收芯片後反射到驱动芯片，所以驱动芯片的位置和性能是非常重要的。因为拓扑结构的复杂性，反射及其它因素，所以很难解释串音主要受谁影响。如果有多种拓扑结构供选择，最好通过仿真来确定哪种结构对串音影响最小。
　　一个可能减少串音的非几何因素是驱动芯片本身的技术指标。一般原则是，选择切换时间长的驱动芯片，以减少串音干扰（解决很多其它由於高速引起的问题也如此）。即使串音不严格地和切换时间成正比，降低切换时间仍然会产生重大影响。许多时候，你对驱动芯片技术无法选择，你只能改变几何参量来达到目的。　　通过终端降低串音
　　众所周知，一根独立、无耦合传输线的终端连接匹配阻抗，它就不会产生反射。现在考虑一系列耦合的传输线，例如，叁根互相有串音的传输线，或一对耦合传输线。如果利用电路分析软件，可以导出一对矩阵，分别表示传输线本身和相互间的电容和电感。例如，叁根传输线可能有下列的C和L矩阵：
　　在这些矩阵中，对角线元素是传输线自身值，非对角线元素是传输线相互间的值。（注意它们是用每单位长度的pF和nH来表示的）。可以用精良的电磁场测试仪来确定这些值。　　
　　可以看出，每一组传输线也有一个特徵阻抗矩阵。在这个Z0矩阵中，对角线元素表示传输线对地线的阻抗值，非对角线元素是传输线耦合值。
　　对於一组传输线，与单根传输线类似，如果终端是与Z0匹配的阻抗阵，它的矩阵几乎是相同的。所需的阻抗不必是Z0中的值，只要组成的阻抗网络与Z0匹配就行。阻抗阵中不仅包括传输线对地的阻抗，而且包括传输线之间的阻抗。
　　这样的一个阻抗阵具有良好的性质。首先它可以阻止非耦合线中串音的反射。更重要的是，它可以消除已经形成的串音。
　　
　　8、致命武器
　　可惜的是，这样一个终端是昂贵的，而且是不可能理想实现的，因为一些传输线之间的耦合阻抗太小了，会导致大电流流入驱动芯片。传输线和地之间的阻抗也不能太大以致於不能驱动芯片。如果存在这些问题，而你还打算利用这类终端，加几个交流耦合电容试试看。
　　尽管实现中存在一些困难，阻抗阵列终端仍是对付信号反射和串音的致命武器，特别对於恶劣情况。在其它环境下，它可能起作用，也可能不起作用，但仍不失为一种值得推荐的方法。

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