PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第226页
210 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 当然 ， 对 于 带宽 超过 1GHz 的高速 信号传 递 ， 更 为 普 遍的 是 用 差 分 对 。 差 分信号 激 励 的腔 体 谐 振 远 小 于单 端 信号 或 共 模 信号 激 励 的谐 振 ， 这 是因 为 电 源平 面载 有 单 端 信号 的 所 有回 路电 流 。 信号 电 流 通过通 孔 ， 但 是回 路电 流 给腔 体 注 入…
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
209
在印制电路板上所有回路平面之间加入间隔更小的短路通孔来抑制不需要的腔体谐振是
一种通用的实践
。
它可保持腔体噪声低于某个上限频率
。
图
7-
7
所示为由
Wild
River
Rehn-
ologies
生产的测试板
，
腔体短路通孔之间具
有不同尺寸的间隔
。
在一般的印制板中
，
通
孔-通孔间隔为
0.25in,
而在某个结构周围则
为
0.1
山
，
在某些情况下
，
只要工艺允许
，
通
孔间可尽可能地靠近
，
甚至为
0.04in
。
通孔
抑制的谐振频率分别高达
4GHz
、
10GHz
和
25GHz
。
在两个腔体平面之间抑制腔体谐振峰值
阻抗的短路通孔的最重要条件是腔体的两个
平面必须具有相同的电压
。
信号层变换是最
具鲁棒性设计的诱因
：
回路平面总是使用相
图
7-
7
由
Wild
River
Technologies
研发的高性
能测试板
，
显示了抑制腔体谐振的通孔
同的电压
；
通常
，
Vss
或地平面作为信号回路平面
。
我们遵循这个规则
，
所有的地回路平面使用隔开的通孔来把它们短接在一起
，
腔体给
予最高频率分量的每个波长至少要有
6
个短路通孔的长度
。
遵循这种设计
，
路线消除了腔
体内部的高频噪声
。
当然
，
这意味着印制板上有更加多的地平面
，
印制板总的层数更多,
价格更高
。
-
.
提示
为减少腔体谐振和大的感应电压噪声
，
当开关信号通过它们时
，
所有回路平面
使用相同的电压
。
这使我们有机会在它们之间加入短路通孔
，
通孔间距
（
英寸
）
等于
1/
（
腔体允许的最高谐振频率
）
（
单位为
GHz
）
。
通常这意味着仅使用地平面
作为回路平面
。
当形成腔体的两个平面处在不同的电压时
，
很明显不能在腔体平面间加入短路通
孔
。
我们能做的最好的方法是在短路通孔上加入大容量电容
，
以维持短路
。
因为电容器
的安装电感不如短路通孔低
，
所以使用电容器来抑制平面腔体谐振总是不如相同电压平
面下加入短路通孔的效果好
。
这种应用要提供大容量电容
，
它限制了平面谐振的第二次
选择
。
一种共同的争论是
：
为了可用短路通孔来减小腔体噪声
，
仅使用地平面作信号回路,
是昂贵的方法
。
便宜的建议方法是使用电源和地共同作为回路电流的通路
，
加入大容量电
容代替短路通孔
。
可是
，
正如下节指出的那样
，
要抑制相同的腔体谐振所需要的隔直电容器的数目太
多
，
会使产品价格高
。
提示
降低信号变换回路平面引起的腔体噪声是要付出代价的
。
你要确定究竟是花费
在更多的地层呢
，
还是花费在更多的大容量电容器上
？
210
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
当然
，
对于带宽超过
1GHz
的高速信号传递
，
更为普遍的是用差分对
。
差分信号激励
的腔体谐振远小于单端信号或共模信号激励的谐振
，
这是因为电源平面载有单端信号的所
有回路电流
。
信号电流通过通孔
，
但是回路电流给腔体注入噪声
。
在每个对上差分电流在
腔体中重叠
，
由于具有相反的流动方向
，
因而抵消
。
腔体中没有纯回路电流七腔体阻抗端
口没有电压降和感应腔体噪声
。
当差分信号通孔在腔体紧密耦合时
，
与单端信号相比较
，
注入到腔体的噪声很容易低
于
一
80dB
。
这意味着使用差分信号激励腔体谐振时
，
问题少得多
。
可是
，
任何共模信号分量通过差分通孔激励腔体谐振时
，
就如单端信号作用那样
。
由
于不可避免地存在共模信号分量
，
所以我们应该像处理单端信号那样仔细地处理腔体阻
抗
。
任何
P
线和
n
线之间不对称的源会把一些差分信号转变成共模信号
。
最为普通的模式
转换就是驱动不对称或者相互连接
。
提示差分信号通过腔体时不会像单端信号那样激励腔体谐振
。
不可避免的共模信号
分量会激励腔体谐振
。
这就是为什么应该像对待单端信号那样
，
仔细地处理差
分对的回路平面
。
如果信号在构成腔体的相同电压平面下转换
，
那么在选择短路通孔时
，
也存在另外一
种指导原则
。
不使用短路通孔
，
回路电流流过腔体阻抗
，
所有回路电流耦合进入腔体
，
产
生大范围的腔体噪声
。
如果信号回路的路径看上去像同轴线的形
状
，
同轴线的外面不存在外部磁场
，
则回路电
流不耦合进入腔体模式
。
这种情况下
，
就没有
大范围的感应噪声进入腔体
。
这种减小电流噪声耦合进入腔体模式的方
法就是在邻近信号通孔的地方附加回路通孔,
使形状像同轴线
。
信号回路的路径看上去越像
同轴线
，
信号回路中电流耦合进入腔体模式的
就越少
，
产生的腔体噪声也就越小
。
图
7-
8
是
这种方法的例子,由连接器厂商推荐的用于高
带宽表面安装
2.92mm
RF
连接器
，
连接到埋入
印制板内的带状线
。
7
个短路通孔使这个结构看
上去像小型的同轴线互相连接
，
这就防止了耦
合进入腔体模式
。
如果在信号过孔附近添加七个回路过孔不
图
7-8
由于围绕信号通孔的典型短路通孔排
歹
h
使转换到埋入的带状线看上去像
同轴线
，
所以没有回路电流耦合进入
腔体模态
。
图来自
Molex
Corp
实用
，
那么我们应该尽可能多地使用更有效的过渡结构
。
“
转换
”
看上去越像同轴线
，
进入
腔体模式的耦合就越少
。
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
211
提示
作为一种好的习惯
，
每个信号转换通孔至少要加入一个回路通孔
，
这能帮助减
小注入腔体的噪声
。
在缺少包含规定数目通孔的间距
、
方向
、
腔体厚度和尺寸
时使用
3D
场求解器分析的情况下
，
没有好的近似分析信号-腔体耦合噪声的
方法
。
7.5
使用多个隔直电容抑制腔体谐振
当平面没有相同电压时
，
一般推荐使用电容器来短路这些平面
。
在这个应用中
，
电容
器最为重要的性能是它们的安装电感
。
我们应该选择电容器的尺寸有尽可能小的安装电
感
，
电容器的电容值几乎是无关紧要的
。
我们实际上使用这些电容器作为短路通孔的替代
，
这时电容器的作用是隔直
，
而不是
去耦
，
这种应用应该称为隔直电容器
。
当信号转换通过腔体时
，
它们的功能是减小腔体阻
抗
，
从而减小腔体电压噪声和通孔与通孔之间的串扰
。
提示
隔直电容器可以替代短路通孔
，
但性能较差
。
它们的电容值无关紧要
，
总的安
装电感决定了它们的性能
。
一般而言
，
电容值大于
lOOnF
就足够了
，
最重要的是自谐振频率要远低于最低的腔体
谐振频率
。
典型的安装电感大约为
2nH,
lOOnF
电容器的自谐振频率是
：
SRF
=
—
—
-
—
—
=
；
…
"芈空
=
159MHz
=
11MHz
(7-20)
27r
VLC
L
mounting
[nH]C[nF]
，
2nH
X
lOOnF
高于这个频率时
，
每个电容器的阻抗表现为感性
，
类似于短路通孔
。
只要大容量电容
器在腔体谐振区域表现为感性
，
那么它的作用像短路通孔
，
就可以同样的方法抑制腔体
谐振
。
这个例子中
，
当高于
11MHz
时
，
腔体中的电容器像电感
。
电容值大于
lOOnF
的电容
器在腔体谐振发生的区域看起来仍旧像电感
。
在低频时
，
VRM
和隔直电容器在电源和地平面的腔体之间提供了低阻抗
。
图
7-9
所
示为腔体阻抗曲线
，
有
25
个相同的电容器分布在这个腔体的表面
，
每个电容器的安装
电感为
2nH
。
4
个阻抗曲线显示的电容值为
10nF
、
lOOnF,
"F
和
lOptF
。
所有电容器抑
制腔体谐振的能力都已被证实
。
现在
，
每个电容器的
ESR
是
25mC,
25
个电容器并联
，
在自谐振频率处
，
有效的
ESR
是
1/25
X
25m
。
或
1m
。
。
本章后面会考虑电容器
ESR
的
影响
。
虽然隔直电容器的电容值不影响腔体谐振
，
但它们的电感则有影响
。
电容器对腔体的
安装电感是决定腔体谐振抑制的最重要指标
。
那里的电容器隔开了直流
，
它的作用不是去
耦电容器
。
图
7-10
所示为电容器安装在腔体上的典型方式和安装电感的来源
。