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200 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 当 信号 通过空腔进行转移 时 ， 它 们 的返 回 电 流 能 激 励 腔 体 谐 振 和其他 的 并 联谐 振 。 当 信号 返 回 电 流 通过空腔 时 ， 有大 的频率 分 量 与 峰 值 阻 抗 频率相重 叠 ， 这 时在 两个 空腔 平 面 之 间 就 产 生 了 过 度 的电 压噪 声 。 这 个 电 压噪 声对 两个 潜在 问题 有…
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Chapter
7
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第
7
章
信号返
平面改变时
，
信号完整性的探讨
7.
1
信号完整性和平面
返回平面上的直流电源不影响传输线的特性阻抗
，
也不影响信号和返回平面之间信号
传播的质量
。
这意味着
5V
或
12V
平面作为返回途径与地平面的效果一样好
。
在多层电路板中
，
当信号线从一层传到另一层时
，
返回电流必须在两个平面之间流
动
。
问题就在于此
，
这个问题就像坠楼
，
坠楼不是问题
，
问题是着陆
。
当电流流过由两个平面构成的空腔的阻抗时
，
在平面之间便产生了电压
。
电压开始产
生在信号通过空腔的附近
，
给空腔注入一个传播的电压波
。
任何通过空腔的其他物体能检
测到这个瞬时电压并作为串扰
。
提示
高频噪声注入空腔的主要方式是返回电流通过相邻平面时
，
阻抗感应的瞬时电
压
，
这产生了串扰
，
它对辐射有潜在的贡献
。
这两个效应都是很重要的
，
涉及
了电源平面
，
但是对核心电压轨的电源分配质量无关
。
这是高频噪声注入空腔的主要机理
—
—
信号通过空腔进行转移
，
并使每个平面依次作
为返回路径
。
这个注入到空腔的噪声对电源分配网络的设计影响不大
。
我们在本章包括这
种噪声源是因为它对信号完整性的设计非常重要
，
它涉及电源传递使用的同一平面
。
从这
种潜在的噪声源分析角度来看
，
我们获得了对根源的理解
，
并形成了最小化这个问题的设
计思路
。
7.2
涉及峰值阻抗问题的原因
给集成电路
（
IC
）
提供电源电流的同一电源和地平面也常常作为信号的返回途径
。
在下
一章
，
我们将指出
：
电源和地平面形成的腔体谐振并没有发挥重要作用
，
也没有显著降低
集成电路核心逻辑的电源
。
这是因为当通过封装引线电感看过去时
，
在芯片供电轨上没有
看到高频腔体模态的谐振峰值阻抗
。
提示空腔形式的谐振峰值阻抗在电源完整性方面很难成为重要的课题
。
在信号完整
性和电磁兼容
（
EMC
）
中
，
它们是非常重要的
。
200
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
当信号通过空腔进行转移时
，
它们的返回电流能激励腔体谐振和其他的并联谐振
。
当
信号返回电流通过空腔时
，
有大的频率分量与峰值阻抗频率相重叠
，
这时在两个空腔平面
之间就产生了过度的电压噪声
。
这个电压噪声对两个潜在问题有贡献
：
增加串扰
（
这是信
号完整性问题
）
和
EMC
违规
。
在很多通俗的文献资料中
，
电源完整性
、
信号完整性和
EMC
问题没有很好地分开,
常常是模糊在一起的
。
腔体谐振首先是信号完整性问题
，
有时是
EMC
问题
，
但很少是电
源完整性问题
。
减小它们对信号完整性和
EMC
的影响是重要的
，
但是它们对电源完整性
常常是不相关的
。
返回电流通过空腔形成的电压噪声是非常严重的信号完整性问题.幻
。
通过空腔的信
号把平面之间的电压噪声看成串扰
，
通过空腔的开关信号越多
，
被其他信号拾取的电压噪
声越多
。
空腔噪声不位于通孔信号的邻近
，
而是处在大的范围内
。
它影响所有跨越空腔的
通孔
，
而不是仅影响通孔邻近的有源信号
，
这使问题很难诊断
。
提示
信号返回电流所具有的风险是具有空腔峰值阻抗的实际问题
，
此电流在峰值阻
抗处通过的空腔具有频率分量
。
电流通过高阻抗
，
在空腔中产生大的电压
，
这
会产生串扰和
EMC
问题
。
例如
，
对于一个
6in
的空腔
，
由连接到
VRM
的电源和地平面构成一个边
，
它在
VRM
的电感凹坑和空腔凹坑之间形成并联谐振阻抗峰
，
这是腔体模态共振
。
在低频腔体阻抗像电感器
，
这是因为
VRM
的串联电感短路这个平面
。
这个电感与空
腔电容组合
，
并在
55MHz
附近形成并联谐振峰值阻抗
。
另外
，
腔体模态共振开始在
0.
5GHz
左右
。
信号的瞬时电流具有
2OOps
的上升时间通过干扰器通孔的空腔
，
它引起相等和相反的
返回电流通过和扰动空腔
。
返回电流可能通过附近的通孔或由位移电流引起
。
电压扰动
中
，
有的频率分量可高到
0.35/0.2ns=l.
7GHz
的频带宽度
，
它在
55MHz
、
0.
5GHz
和
1GHz
处激励空腔峰值阻抗
。
我们可以预期
：
在这些特定频率上
，
产生了增强电压噪声
。
图
7-1
所示为空腔的阻抗
曲线和两个信号通过空腔所拾取的电压噪声
。
“
受害
”
通孔位于与空腔相对的角上
，
还可指
出
，
在
55MHz
和
0.
5GHz
附近的频率分量上噪声幅度是相似的
。
在
6inX6in
空腔中
，
噪声幅度对串扰信号的通孔位置的依赖性不大
。
空腔中的电压噪
声有非常大的范围
，
这意味着空腔中所有信号通孔都会受到它的影响
。
每个受害通孔产生
的噪声有大约
5mV
的峰值幅度
，
它大约是
300mV
信号摆动的
1.5%,
这是因为它们也通
过空腔
。
一个简单的具有
200Ps
上升时间的信号输入到
50
。
的传输线中
，
空腔通孔产生
6mA
的返回电流并通过空腔
。
如果
10
个
“
挑衅性
”
信号同时传输通过空腔
，
则受影响接收
到信号摆动的
15%
作为噪声
。
这是大范围的影响
，
因为
10
个
“
挑衅性
”
信号通过
6in
方空腔
的任意地方
。
“
挑衅性
”
信号通过空腔感应的噪声中有两个重要的频率分量
，
它们显示在时域图上
。
低频分量的周期为
20ns,
频率大约为
50MHz
。
高频噪声的周期大约为
4ps,
频率比
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
201
55.2MHz,
25.245
6.000
0.00
10.000
20.000
30.000
40.000
__
时间
（
ns
）
图
7-1
顶部
：
具有
VRM
的电源平面空腔的阻抗曲线
。
底部
：
当
“
挑衅性
”
信号通过空腔时
，
两个相距很远的通孔拾取的瞬时噪声电压
，
电压刻度为
mV
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
0.5GHz
稍微高些
。
这两个频率与阻抗曲线的第一
、
二个峰相匹配
。
空腔中抬高的电压噪声对
EMI
和信号完整性有重要的影响
。
任何复杂的电磁产品都具
有合理相互连接密度的要求
，
因此躲避多层信号板是不可能的
，
这意味着信号通孔是现实
存在的
。
无论信号是否通过腔体
，
它的返回电流具有在邻近的回路平面之间激励电压噪声
的潜能
，
这绝对是不可避免的
。
提示电源和地平面腔体中最为普通的高频噪声源是宽频带返回电流
，
它通过腔体作
为信号通孔转移注入的直接结果
。
这种噪声存在的范围宽
，
在通孔之间贡献串
扰和
EMI
O
可是
，
信号的回路电流不能在腔体中产生过分的电压噪声
。
避免这个问题的一种方法
是改变峰值阻抗的幅度
，
让它足够低
，
结果是电流摆动不产生大的噪声电压
。
另外一种方
法是把峰值阻抗推向高频端
，
使其超过信号频带宽度
。
这样
，
高阻抗峰不会被瞬时电流所
激励
。
优化腔体特性可得到这两个问题的解
。
正如本章讨论的
，
腔体谐振对于电源分配网络传输给有源器件核心电路干净的电压是
没有问题的
。
可是
，
腔体噪声对于很多板的信号完整性和
EMI
来说
，
是巨大的问题
。
因为