PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第249页
第 7 章 信号 返 回平 面 改 变 时 ， 信号 完整性 的 探 讨 233 仿 真腔 体 阻 抗 ， 参 数如 下 ： Len cavity = 5in. Dk = 4. 3 、 Qavity = 10mil 。 在 腔 体例 子 中 ， 我 们使 用 式 (7-69 ) 得 到 特 性 阻 抗 ： Z 。 = ------- 2 X 忙 ity ------ ------ ------ -- = ------ ------ --…
232
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
图
7-26
所示为由短传输线单元重复组成的电源平面
SPICE
模型的例子
。
W
元素传输
线段或理想段与电阻器串联和并联以估算损耗
。
另外使用一种简单的
RLC
弹簧床式模
型⑷
，
在这种传输线排列中
，
传输线自动地考虑扩散电感
。
图
7-25
从腔体中心点处观察
，
呈现
等效近似的电路模型
，
用
4
根扩散电感和传输线节来模
拟它
图
7-26
短传输线段为元素相互连接的网格
，
用于建立与
SPICE
兼容的
，
且完整的电源和地平面的腔体
模型
单一的
4
根传输线段单元是简单的近似
，
它可获得腔体和前几个模态共振的低频阻抗
特性
。
它的主要优点
：
能用于包括谐振效应和快速仿真的任何
SPICE
仿真器
。
在这个模型中
，
每个传输线的长度是腔体长度的
1/2,
每个传输线的特性阻抗被调整
以匹配腔体的
1/4
容量
。
腔体容量是
：
T
pn
2
C
=
u
CL
^
cavity
^cavity
£0
UK
“
cavity
传输线段的时间延迟是:
TD
=
0
・
5
义
Lencavity
义
c
(7-66)
(7-67)
每一段的特性阻抗为:
Z
=
TD
0
―
。
・
25*
心
0.
5
X
Len
cavity
X
，
Dk
2
X
九
cavity
T
pn
2
X0.25£°Dk
空皿
“
cavity
11.
8
X
e
0
\/Dk
X
Len
cavity
(7-68)
式中
，
Cavity
是腔体电容
；
£o
是自由空间的介电常数
，
0.225
Xl()TnF/in
；
Dk
是腔体中材
料的介电常数
；
Lencavity
是腔体的边长
；
儿
avity
是腔体的介质厚度
；
C
是真空中的光速=
11.
8in/ns
o
作为一个例子
，
我们使用
3D
场求解器和
4
个传输线段以及
4
个电感器的单个单元来
第
7
章信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
233
仿真腔体阻抗
，
参数如下
：
Len
cavity
=
5in.
Dk
=
4.
3
、
Qavity
=
10mil
。
在腔体例子中
，
我们使用式
(7-69)
得到特性阻抗
：
Z
。
=
-------
2
X
忙
ity
--------------------
=
--------------------------
2
*
0♦
01
一
_
=
0.
73
。
(7-
69)
11.
8
Xe
0
TDk
X
Len
cavity
11.8
X
0.
225
X
IO
-3
X
5
从腔体中心观察点到边缘的扩散电感大约是扩散电感的
(
1/2-1),
这与腔体尺寸和接
触区域尺寸有关
。
作为初始状态
，
我们能使用
3/4
总的扩散电感
。
这个电感被分成
4
个电感
，
并联回馈
到
4
根传输线上
。
3
个正方形的扩散电感进入到每个传输线上
。
图
7-27
比较了传输线电路的近似和使用
3D
场求解器计算的阻抗曲线
。
i
室
频率
(
Hz)
图
7-27
腔体使用
3D
场求解器提取的和使用由
3
个正方形扩散电感并联的
4
根传输线近似
的阻抗曲线
。
注意
：
SRF
和第一腔体谐振能使用传输线模型有好的近似
比较显示具有好的一致性
。
稍微改变探测位置
，
在高频处放大或衰减谐振模式
。
简单
的四传输线模型没有足够的空间来捕获所有更高频率的模态共振
。
64
单元或更多单元的复
杂排列能显示为更高阶的模式
。
当我们使用腔体作为信号通孔回路的一部分时
，
我们能应
用这个模型近似回路的阻抗
。
我们能将这个模型快速地附加在不同的电容器上
，
来评估腔
体谐振的影响
，
甚至是通道之间的串扰
。
7.
16
总结
1
.
当信号回路的电流通过腔体阻抗时
，
它们在腔体中感应噪声
，
产生信号完整性和
EMI
问题
。
对于从
PDN
中消耗电流的片上电路来说
，
这很少是电源完整性问题
。
2
.
电压噪声的频率分量与腔体阻抗的峰值阻抗和回路电流的频率分量有关
。
3
.
设计腔体的目标是把峰值频率推向信号带宽以上
，
其次是降低峰值高度
，
使其低于
危险电平
。
4
.
腔体中薄的介质是降低模态共振峰值高度的最有效方法
。
5
.
腔体中将并联谐振频率推向上面的最为有效的方法是在腔体平面之间加入短路通
孔
，
这需要平面有相同的电压
。
234
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
6
.
腔体设计最重要的准则是对所有信号使用有相同电压的回路平面
，
这样可以加入短
路通孔
。
7
.
如果腔体的两个平面没有相同电压
，
则仅有的变通方法是使用与通孔串联的隔直电
容器
。
隔直电容器使通孔性能恶化
。
8
.
与短路通孔比较
，
若要把腔体谐振推向更高频率
，
隔直电容器要有高得多的密度
。
9
.
隔直电容器最重要的特性是它的安装电感
，
其次是它的
ESR
。
10
.
使用不是最佳数目的隔直电容器
，
设计鲁棒性腔体是困难的
。
包含规定的瞬时回
路的电流和腔体阻抗的仿真是非常重要的
。
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