更少噪声，更多欢乐

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更少噪声，更多欢乐

作者：Jacob Bakker，荷兰艾恩德霍芬市恩智浦半导体公司物理验证顾问

相关集成电路同时包含需要一起运行而又不相互干扰的模拟与数字组件

数字无线电设备成为了汽车中越来越常见的配件，但是其设计带来一项艰巨挑战：相关集成电路（IC）同时包含需要一起运行而又不相互干扰的模拟与数字组件。电源、外部接口（USB、HDMI、VGA 等）、无线电信号接收器和传感器作动器属于模拟设备，而数字处理与存储单元是数字设备。如果它们能够分隔很远。例如，分处一个印刷电路板上的两个不同IC，则不存在噪声问题。但是，由于设计人员为了节约空间与成本而不断把组件压缩到越来越小的封装内，模拟与数字信号也越来越近，因此无线电设备产生越来越多的可听噪声与声干扰。

荷兰艾恩德霍芬市恩智浦半导体公司是车载数字无线电IC 全球市场领导者。作为一家全球供应商，其产品必须能够解码全球不同地区常用的三大地面无线电标准所支持的信号。秉承复杂电子产品创新传统，该公司最近推出了最新数字无线电芯片SAF360x 系列- 其在比上一代产品尺寸小75%、成本远远低于上一代产品的单个IC 中可以集成所有三种无线电和最多6 个IC，因为其采用了ANSYS Q3D Extractor 与ANSYS RedHawk 电子仿真软件尽可能降低模数干扰。

数字攻击者与模拟受害者

当射频（RF）模拟与数字基带电路融合到单个IC 时，数字电路的切换（数字0 与1 之间）会产生噪声。每个切换事件都对应接地与工作供电电平之间的一次电压摆动。如果一次切换太多晶体管门电路，就会出现供电网络压降和接地反弹，其能够通过IC 共用衬底从数字侧传播到模拟侧，从而干扰模拟设备和降低性能。对于SAF360x 而言，这会影响到无线电设备的音质。数字电路可以称为“攻击者”，而射频模拟电路可以称为“受害者”。在数字无线电IC中，通常大约有90% 的噪声归咎于数字组件，通常由数百万个开关晶体管所致。当同一IC 集成多个RF 电路时，就会产生严重的噪声耦合问题。数字开关频率以及数字与模拟组件的距离都是这些电路的主要设计指标。

噪声信号只有通过连接IC 模拟与数字部分的某些介质才能产生干扰。传播通道主要来自硅衬底。IC 中的噪声传播路径是电阻连接器、晶体管接头之间的电容耦合或衬底。在封装层面，I/O 键合线产生的电感耦合可构成一种介质。

消音装置

可以采用两种方法降低这些数模IC中的干扰：一种是作为屏蔽层防止噪声传输的无源隔离结构，另一种是从一开始就能够尽可能降低噪声的最佳模拟与数字电路设计。保护环等无源隔离结构可以提供与衬底的低电阻连接，以确保衬底在保护环处接地，从而提高模拟与数字电路的抗噪性；通常需要采用多个并联保护环。深N 阱屏蔽是另一种无源隔离方法，其中材料的N 型（带负电荷）阱深植入P 型（带正电荷）衬底，以降低噪声通过衬底的传播。最佳设计应当是能够确保射频与模拟组件从一开始就具备抗噪性- 可能是采用不同信号，而且数字电路在切换时应当产生最低噪声。

交接过程管理只是HMI 执行的众多功能之一，随着汽车自动系统不断成熟，HMI 将不断增加更多功能。因此，HMI 开发过程就变得越来越有挑战性。过去，HMI 需要通过手动编码的方式开发，开发人员通常在代码编译完成并在昂贵复杂的目标硬件环境中运行后才能得到反馈。对于HMI 的修改十分困难，因为执行修改的工程师必须到代码在目标硬件上运行时才能验证修改正确与否。每次HMI 设计迭代都要在目标环境中评估很多不同情景，这相当耗时。HMI的修改需要大量手动编码和测试工作，例如将一个元件从一个显示位置移动到另一个。

在设计人员尽全力同时实现这两种方法之后（无源隔离和抗噪性/ 噪声最小化），团队可以采用仿真方法测试各个设计方案的最终噪声特性。恩智浦公司的工程师进行仿真时采用一种由以下组件构成的IC 模块规划：两个射频/ 模拟调谐器、一个数字处理模块、一个模数转换器（ADC）与数模转换器（DAC）模块、一个处理器模块以及一个封装模型。

恩智浦工程师采用ANSYS RedHawk 与ANSYS Q3D Extractor 设计出用于数字车载无线电设备的新型IC 芯片，其尺寸降低75%、成本更低而且音质出色。

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噪声生成与传播的仿真

由于半导体封装电感（L）非常重要 - L di/dt 效应取决于封装电感，因此恩智浦工程师采用了A N S Y S Q 3 DExtractor 抽取用于分析的封装模型。他们采用了CSE- 针对求解器引擎的衬底分析内核，即ANSYS Totem 的附加模块。仿真输入信息包括相关技术文件，其中包含金属层图像、介电常数以及设计方案的其它物理特性、描述如何组装IC 组件的网表、包含相关几何结构的GDSII 布局以及包含代工厂所提供的衬底物理特性的衬底技术文件。另一种输入信息是RedHawk 电源库中包含的数字模块模型；对于各个数字单元，此模型包含单元切换时的电流波形以及单位不切换时的有效串联电容与电阻。工程师然后把数字矢量数据输入到电压信息更换（VCD）文件中，以描述所分析的实际单元的切换。

对于每个用例，模型中都包含20万个数字单元。初始化阶段处理了全部输入信息并针对RedHawk 进行格式化。接下来执行了电源与接地（PG）网络和衬底抽取，以说明系统中的全部传播路径。最后，RedHawk 执行了噪声耦合分析。

此项分析的仿真部分只占用了不到60000MB，而且用时最多不超过175分钟。

消除噪声

仿真的主要结果是噪声图与波形。ANSYS RedHawk Explorer 可以显示功率曲线，以说明各个仿真周期的平均功率。RedHawk 能够自动在VCD 文件中选择最差功率周期，以便工程师确定设计方案在最差情况下是否符合规范要求。

仿真结果帮助确定了系统的压降情况。各个阶段的需求电流与电池电流图显示出两个不同用例的电流尖脉冲。测量IC 自然产生的噪声以及在更大时间间隔内何时执行门切换的重新编程，可以为工程师提供宝贵的优化数据。

电流尖脉冲与大部分数字门切换时间非常吻合。及时分散门切换可以降低组合数模IC 芯片中的噪声传播电平。此外，数字电路的编程还影响到根据在IC 中的位置切换哪些门开关。这有助于降低噪声电平，因为数字切换门“攻击者”和模拟“受害者”之间的距离有可能发生变化。不过，其效果不如时序变换明显。因此，该如何最大限度地减少数字无线电IC 芯片中的噪声传播？由于工程师采用可编程数字模块，因此他们可以控制在给定时间切换的单元数量。通过尽可能减少同时切换的电路，他们能够降低电流尖脉冲，从而降低系统中能够引起从IC 数字侧到模拟侧传播噪声的压降。

恩智浦工程师采用ANSYS RedHawk与ANSYS Q3D Extractor 设计出用于数字车载无线电设备的新型IC 芯片，其尺寸降低75%、成本更低而且音质出色。但是他们并未就此止步。相关团队已经着手设计新一代产品，其有可能很快上市，从而帮助恩智浦保持在数字车载无线电IC 领域的全球领导者地位。