PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第155页
第 5 章 实 用 多层 陶瓷片状电 容 器 的集 成 139 如果所应 用的 校正 针 对 的 是 原 始 S 参 数 值 的 小 部 分 ， 则 提 供 校正 的 S 参 数 不 是 问题 。 不 过 ， 如果 用 户 不 知道 S 参 数在 修 改 之前 有多 糟糕 ， 那 么 我 们 将无法 知道 数据 的 好坏 ， 也 无法 评 估 数据 的 测 量质量 。 一些 测 量 显然已损坏 ， 但仍 由 供 应 商发 布 。 图 5…
138
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
度迹线以及电容器下方的返回路径
。
当然
，
在该配置中测量的
S
参数模型的感性特性取决
于夹具的细节和返回路径的位置
。
不幸的是
，
许多供应商和客户在系统仿真中使用这些
S
参数模型
，
误认为
S
参数模型
必须准确
。
毕竟
，
它达到了
3GHz
。
为了在去耦应用中使用双端口模型
，
许多用户将模型的一个端口连接到电路板的电容
器安装焊盘上
，
并将另一个端口接地
。
这种方法的问题是电容器的
S
参数模型表示为电容器在特定测量环境中的特性
，
指向
电容器和夹具返回路径的位置
。
这可能与最终用户系统中的安装结构完全没有关系
。
最终
的应用环境可能具有比测量配置多得多或少得多的安装电感
。
系统级的仿真结果将会产生
误导
。
提示
系统仿真中在使用供应商提供的电容器的
S
参数模型时
，
请小心
。
若环境与测
量夹具一样
，
则这些模型可以用于预测电容器在系统中的行为
。它们并不代表
与应用中有相同的安装电感
，
并可能产生误导性的结果
。
这是你在系统仿真中谨慎使用供应商提供的基于电容测量的
S
参数模型的主要原因
。
其他
3
个原因包括
：
•
S
参数通常以未知的方式被
“
纠正
”
；
•
某些
S
参数已破坏
，
但仍会发布
；
•
有时组件的电容与其标签不同
。
提供
S
参数模型的电容器供应商通常因被动和互惠原则进行
“
校正
”
测量
。
它们不会公
开所使用的算法
，
这些算法可能会减去
S
参数中任何大于
1
的偏移量
，
并用平均值代替每
对术语
。
这在已公开的
s
参数值中是显而易见的
，
如图
5-35
所示
，
它们显示有相同的
S
”
和
S22
值
。
这只能在
S
参数被仿真或
“
校正
”
的情况下发生
。
图
5-34
典型的用于测量电容器两端
S
参数的
微带夹具的图示
。
测量的感应质量取
决于夹具的几何尺寸
，
这并不是电容
器固有的
S
“
mag
0.96617446
0.96312476
0.95988758
图
5-35
phase
-14.09844577
-14.71015576
-1535460379
0.96617446
0.96312476
0.95988758
-14.09844577
-14.71015576
-15.35460379
在一个典型的
s
参数文件中
，
对于
3
个不
同的频率
，
S
”
和
S22
的一小部分值
。
注意,
S11
和与
2
的大小和相位值取
8
位小数位
第
5
章
实用多层陶瓷片状电容器的集成
139
如果所应用的校正针对的是原始
S
参数值的小部分
，
则提供校正的
S
参数不是问题
。
不过
，
如果用户不知道
S
参数在修改之前有多糟糕
，
那么我们将无法知道数据的好坏
，
也
无法评估数据的测量质量
。
一些测量显然已损坏
，
但仍由供应商发布
。
图
5-36
显示了与具有良好行为结果的另一
组测量的
S
参数的对比
，
显示出总失真
（
被测量的
S
参数转换为阻抗
）
。
如果测量
S
参数的工程师实际查看了结果并分析了测量质量
，
则他们不会发布这些结
果
。
他们会立即找出这些测量错误并重新测量
，
不会发布有缺陷的结果
。
这就是你不应该
盲目信任供应商提供的测量
，
而应该自己进行分析的一个原因
。
供应商不应该只聘请暑期
实习生来
“
解决
”
问题
，
而是应在结果公布前仔细分析
。
有时
，
测量的
S
参数对应于与文件标签值不同的电容器
。
例如
，
图
5-37
显示了针对
10nF
电容器的
S
参数模型提取的电容
。
提取的
5.
8nF
值远远小于此值
。
供应商有时使用
在
100Hz
或
120Hz
（
电源的频率
）
下工作的阻抗桥来测量电容值
。
该方法测量的电容与试图
在多个频率上脱离公共数据网有能力又正直的工程师无关
。
图
5-36
由供应商提供的由两个不同电容测量
得到的
S
参数模型转换为阻抗的示例
。
实线的数据显然有问题
。
虚线也类似,
但为具有良好的阻抗曲线的较高值的
电容器
。
供应商不应该发布实线数据
频率
（
Hz
）
图
5-37
从标称
10nF
电容的
S
参数模型中提
取电容的示例
，
但实际上是
5.8nF
电容
。
供应商经常测量在
100Hz
附
近工作的阻抗桥中的电容
。
在兆赫
兹范围内的
VNA
测量更有作用
提示供应商提供的大多数电容器的
S
参数模型都是
“
批量生产
”
的
，
其质量未由经验
丰富的工程师进行检查
。
终端用户应始终评估供应商提供的模型的质量
，
然后
再使用它们
。
5.
14
如何分析供应商提供的
S
参数模型
确定了盲目使用供应商提供的
S
参数模型的问题后
，
即使是直接测量的模型
，
我们也
应以
“
负责任
”
的方式使用这些模型
，
我们可以从这些模型中获得一些潜在的价值
。
通过少
量分析
，
可以解释在简单模型中测量的
S
参数和内在的
C
及提取的
ESR,
还有特定的基于
140
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
所用具体夹具的
ESL
。
第一步是从测量的
S
参数中提取已安装电容的阻抗曲线
。
假设对测量并发布的模型进
行的校正很小
，
即它们表示其夹具中电容器的
S
参数
。
我们通过
模拟一
端的回波损耗(另
一端短路)来提取阻抗曲线
。
这将双端口串联测量转换为电容器的单端口测量
，
其另一端
接地
。
这是电容的输入阻抗
。
图
5
-
38
显示了使用
Keysight
ADS
的实现电路
。
利用单端口回波损耗
，
我们在每个频率上提取复阻抗
：
Z
(
/
)
=
50°
(
；
+
［
了)
(
5-37)
式中
，
Z(/)
是每个频率下夹具中电容器的复阻抗
；
Su
(
/)
是端口
2
短路时模拟复数回波
损耗
。
从复阻抗中提取
。
、
ESR
和
ESL,
构成一个简单的
RLC
模型
。
在低
频时
，
假设阻抗
有恒定的电容
，
并且从阻抗的虚部获得电容
，
即
八
—
•
1
C(/)
=
7
p
(
5-38)
(imag(Z(
f))
X
Zx
X
f
式中
，
C(/)
是等效电容
，
假定阻抗仅由理想电容引起
；
/是计算复阻抗时的频率
；
imag(Z(/))
是复阻抗的虚部
。
同样
，
我们直接从使用阻抗的虚部提取等效的串联电感
：
ESL(/)
=
1
m
哽
(5-39)
2n
X
/
当然请注意
，
这种
ESL
不是电容器固有的
，
而是取决于测量中使用的具体设备
，
即其
导线从
VNA
连接器到电容器焊盘以及现有的返回路径
。
最后
，
我们将提取
ESR
作为测量阻抗幅度的最小值
。
图
5-39
显示了使用
ESR
、
ESL
和
C
的优化值后
，
使用简单串联
RLC
模型的仿真阻抗从
S
参数模型中提取的阻抗
，
其一
致性非常好
。
S2P
■
1
2
-
t
SnP
SnP2
File=FileName
1E-2
1E5
1E6
1E7
1E8
1E9
3E9
频率
(
Hz
)
图
5-38
用于模拟双端口分流模型的单端口
S
参数的电路
，
它作为使用
Keys-
ight
的
ADS
构建电容器的简单
RLC
模型的第一步
图
5-39
使用
C=42.6nF
、
ESL
=
O.
71nH
、
ESR
=
0.
0298
。
的简单
RLC
电路模型的仿真阻抗
曲线与从
47nF
0402
MLCC
电容器的
S
参
数模型中提取的阻抗曲线之间的对比
使用这个过程
，
我们可以分析任何两端口测量的
S
参数模型来提取简单的串联
RLC