PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第237页
第 7 章 信号 返 回平 面 改 变 时 ， 信号 完整性 的 探 讨 221 对 要 低些 。 其 频率 分 量靠近 并 联谐 振 频率的腔 体 电 流 （ 这 个例 子 中为 89MHz ） , 看起 来有 非 常 高的阻 抗 ， 能 产 生许 多 的电 压噪 声 。 例 如 ， 6mA 、 0. 4ns 上升 时 间的 信号 流 过 信号 通 孔 ， 这 个 通 孔在 两个 腔 体 平 面 具 有回 路电 流 。 这 个 回 路…
220
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
7.
8
使用未达最佳数量的隔直电容器的腔体阻抗
不讨论使用的隔直电容器的数量
，
对于腔体中的阻抗曲线
，
一般是在信号带宽的频率
重叠范围内存在峰值阻抗
。
当腔体不能使用短路通孔和所需要的隔直电容器的数目无法实
现时
，
这些峰值是主要的噪声源
，
有助于信号串扰和
EMC
问题
。
当腔体中加入单个电容器时
，
阻抗曲线与空印制板是不同的
。
图
7-14
所示为腔体中加
人具有
2nH
ESL
和
28m
。
ESR
的
lOOnF
的电容器后
，
在阻抗曲线上产生的新特性
。
在低频时
，
附加电容器的电容占据腔体阻抗的统治地位
，
在电容器的自谐振频率以
上
，
腔体阻抗由电容器的安装电感加上分布电感和腔体的电容来确定
。
如果电容器的容量改变
，
但它的安装电感不变
，
则电容器在自谐振频率以上的阻抗是
与所有电容值相同的
。
图
7-15
所示为
3
个不同的电容器在中心位置处的阻抗
，
这些电容器
具有相同的安装电感和
ESR
。
在高于自谐振频率时
，
阻抗曲线是相同的
。
图
7-14
腔体附加安装电感
ESL=2nH
的
lOOnF
的电容器后的阻抗曲线
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
图
7-15
空印制板加入
3
种不同电容器后的阻抗
曲线
，
每个电容器具有相同的安装电感
和
ESR,
但是容量为阶梯状增加
。
注意:
高于电容器的
SRF
时
，
阻抗曲线是相同
的
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
阻抗中第一个凹坑是安装电容器的自谐振频率
。
这个频率是由电容器的容量
、
电容器
对腔体的安装电感和从电容器上观察的扩散电感的串联组合一起决定的
。
高于电容器的自谐振频率时
，
阻抗趋向于电容器的安装电感加上扩散电感
。
提示
高于电容器的自谐振频率时
，
阻抗曲线与附加于腔体的电容值无关
，
它仅依赖
于电容器的安装电感和扩散电感
。
附加于这个平面的电容器容量
，
与电容器的
安装电感相比较时
，
仅有二阶或三阶的重要性
。
这个新的峰值是由安装电容器产生的
，
是除了腔体模态共振峰以外的峰
，
它的频率相
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
221
对要低些
。
其频率分量靠近并联谐振频率的腔体电流
（
这个例子中为
89MHz
）
,
看起来有非
常高的阻抗
，
能产生许多的电压噪声
。
例如
，
6mA
、
0.
4ns
上升时间的信号流过信号通孔
，
这个通孔在两个腔体平面具有回
路电流
。
这个回路电流激励
1GHz
以下的所有峰值频率
，
这阶跃信号仅激励
1GHz
以下的
阻抗峰
，
在这样的情况下
，
它为
89MHz
的那个峰
。
我们预期可在
89MHz
处看到腔体电压
噪声的振铃
，
它随着这个并联峰值阻抗的
q
因子而衰减
。
89MHz
的时钟信号将强烈地驱动
89MHz
的腔体谐振
，
甚至在腔体中产生更高的电
压
。
由于这个频率低于腔体模态共振频率
，
所以整个腔体一起弹跳
，
噪声在腔体的每一个
地方都是相同的
。
其他的通孔通过腔体的任何地方都看到了作为串扰或噪声的相同的电压
噪声
。
图
7-16
所示为腔体的两个平面
，
在两个对应的点上仿真得到的电压噪声
。
仿真结果为
两种情况
：
0.
4ns
的阶跃信号和
89MHz
、
6mA
的方波电流流过腔体
。
几个周期后腔体中建
立的电压噪声的峰-峰值几乎达到
90mV
。
这个图也指出
：
对于腔体的两个平面
，
在两个独
立的位置进行测量
，
它们没有差别
。
图
7-16
6mA
阶跃电流通过腔体
，
并且时钟信号是
89MHz
时
，
在腔体两个平面之间感应的
电压噪声
，
腔体中的噪声峰-峰值大到
90mV
o
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
提示
这是建议
：
抑制由瞬时电流感应的噪声最为重要的设计原则是减小在腔体任何
地方看过去的腔体峰值阻抗
，
这个峰值阻抗产生作为噪声和串扰出现的大电压
。
电容器的容量对峰值阻抗无任何作用
。
必须做的一件事是处置与电容器的安装电感和
222
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
扩散电感以及腔体电容有关的并联谐振
。
再次强调
，
降低峰值阻抗的高度要减小电容器的
安装电感和平面电容的扩散电感
。
下一节的内容也是降低峰值高度
。
7.9
扩散电感和电容器的安装电感
加入完全相同的电容器于腔体
，
并联谐振峰的频率依赖于电容器的有效电感和腔体电
容
。
这些项为
：
腔体电容为
：
Qvity
=/Dk
亲
（
7-43
）
并联谐振频率为
：
21
.Leaps
Cavity
"
J
（
｝
（
ESL
+
I^pread
）
）
X
Dk
亲
式中
，
4aps
是所有电容器并联后的有效电感
；
〃是并联电容器的数量
；
ESL
是每个电容器
的安装电感
；
Lspgd
是腔体的扩散电感
，
与单位面积上的片状电感相似
；
Cavity
是腔体电容;
即是自由空间的介电常数
，
0.
225pF/in
；
Dk
是填充腔体的介质材料的介电常数
；
A
是制
造腔体的平面的重叠面积
；
九是制造腔体的平面之间的介质厚度
。
这些是影响并联谐振频率的重要术语
。
如果并联谐振频率被推到信号带宽的上面
，
则
在电流的频率分量处
，
腔体阻抗为感性
。
我们可以利用有效电感估计腔体的回路弹跳
、
开
关回路电流的总
d
〃
d£
。
基于最大允许的回路弹跳感应腔体噪声
，
我们可估计需要多少个
电容器
。
可参看
7.
7
节的分析
。
式
（
7
-
42
）
和式
（
7-43
）
指出了在不恶化阻抗曲线其他方面的情况下
，
并联谐振频率被推
向更高的最为重要的设计指导方针
。
•
使每个安装电容器具有低的
ESL
•
使用多个电容器并联
•
使用能达到的低电容
、
小尺寸腔体
减小每个安装电容器的
ESL,
使用薄介质
，
以减小腔体的扩散电感
，
这对降低并联谐
振峰值阻抗和推向较高的频率是很重要的
。
即使腔体中薄介质增加了腔体电容
，
但较低的
扩散电感和模态共振的阻尼等优点比高电容更有价值
。
提示
尽可能地降低电容器的安装电感
，
这会使并联谐振频率增高
，
减小在腔体中产
生回路弹跳噪声的电感和降低峰值阻抗
。
究竟使用较大还是较小的腔体是一种折中
。
较大的腔体有更大的电容
，
结果是有较低
的并联谐振峰值阻抗高度
，
但是它也有较低的并联谐振峰值频率和较低的腔体模态频率
。
较小的腔体具有较高的并联谐振频率
，
但是也有较高的并联谐振峰峰值阻抗
。