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同步切换噪声对芯片系统的影响
系统芯片设计专栏(12)

【作者: 盧奕璋】2007年12月18日 星期二

浏览人次:【10046】

芯片系统的重要概念,即是在单一芯片上把不同特性的电路整合在一起,以提供更多更强的功能。(图一)为一个具代表性之通讯系统示意图。如果要以芯片系统方式实现,就必须把对噪声敏感的区块,包括低噪声放大器(LNA),模拟/数字转换器(ADC),锁相回路(PLL),数字-模拟转换器(DAC),功率放大器(PA)等,在同一芯片上与容易产生噪声的数字电路,如微处理器或信号处理器(DSP)等整合在一起。但是数字电路的同步切换噪声(SSN),会经过电源网络与基板两个路径,影响到同一基板上的模拟/混合信号/射频电路的特性,尤其是功率放大器的部分。因此芯片系统上的SSN问题,对整个系统的发展非常重要,是近年来一个十分热门的研究题目。


《图一 通讯系统示意图》
《图一 通讯系统示意图》

SSN来自不理想的电源线。因为有寄生电感(L)与电阻(R),所以当电流(i)通过时,电源在线会产生Ldi/dt的电压变化或iR的压降,即是所谓的电源网络SSN。如(图二)所示,电源网络SSN经过基板接点(substrate contact)进入基板成为基板SSN,因此两者间存在一个高度正相关的情况。降低电源网络SSN,可以使基板SSN随之减小。因此,在以下的文章中,除非特别说明,对两种SSN并不作进一步区分。就影响层面而言,电源网络SSN,会造成电源网络上直流位准的移动,使得工作点不正确,至于基板SSN,则会经过基板接点或源/汲极接面影响电源网络,或是经由基板效应(body effect)影响晶体管(例如,临界电压threshold voltage)的各种特性。而上述两种SSN的波形及造成的影响,因为每一个时间点切换的晶体管数目并不相同,使得维持操作所需的电流(i)大小也随之起伏,因此是一个随时间变化的函数。



《图二 SSN的形成与传播》
《图二 SSN的形成与传播》

降低SSN的影响的方法可分为被动与主动两大类:被动的方式包括分离电源网,使用去耦合电容,使用保护装置等;主动的方式则是包含使用稳压器,或是产生一个反向的SSN,以及频率切割等方法。各种方法的优缺点进一步说明如下。
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