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338 PD N 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 以 实 现 希望 的谐 振峰 值 高 度 和 q 因子 。 我 们 在 节 点 3 使 用 AC 电 流源 仿 真频 域 阻 抗 ， 芯片 焊 盘 具 有 1A 的 幅度 ， 节 点 3 的电 压 等 效 于以 欧姆 为单位 的阻 抗 。 此外 ， 在每 个中 间节 点 上 的电 压 测 量 也 表示 在图 9-29 中 。 ADS Freq u…

100%1 / 453
第
9
章瞬时电流和
PDN
电压噪声
337
算的容差
。
这种非常特殊的情况称为恶劣波效应
。
它由
Xiang
Hu
在他的
PhD
论文和有关
文献
［
7-9
］
中第一次介绍
。
为了说明这个现象
，
我们设计了具有
3
个并联谐振的简单
PDN,
每一个有相同的
q
因
子和峰值阻抗
，
但是有非常不同的自谐振频率
。
我们使用在
9
・
14
节讨论过的方程来执行这
个工作
。
图
9-28
所示为这种
PDN
的电路
。
图
9-28
人为仔细设计的
PDN
电路
，
在不同频率上有
3
个阻抗峰
，
3
个峰值阻抗具有可比性
L
L1
L=L1
R=
L
L2
Lr=L2
R=
L
L3
L=L3
R=
1
[R
f
R
4
f
R
[
r
>
R1
<
J
R2
>R3
<
>
R4
<
>R=R0
>R=R1
<
:
R=R2
<
>
R=R3
V_DC
Nodel
Node2
Node3
_
1
C
c
c
I_AC
十
_SRC1
=
Vdc=1.0V
:
Cl
；
C=C1
1
_
C2
[
C
=
C2
:
]C3
A
[
c=c3
y
y
Lac=Polar(l,0)A
Frequency=Frequency
电路元件值基于要控制的相同的
q
因子和峰值阻抗
，
但是有不同的谐振频率
。
表
9-4
总结了最终的电路元件值
。
RO
、
RI
、
R2
和
R3
要稍微调整
，
使峰值为
50m
。
。
表
9-4
定义
3
个阻抗峰值的参数
恶劣波仿真元件参数
瞬时电流
1
A
电压
1
V
容差
5
%
Z_target
0.
050
Q
q
因子
4
第一个峰 第二个峰
第三个峰
频率
1
10
100
MHz
L_loop
2.
0
0.
2
0.
02
nH
C_loop
11459
1146
127
nF
Zo
0.013
0.013
0.013
n
C1,C
2
,C
3
11459
1273.
2
143.
24
nF
R_estimate
1.563
m
。
R1,R2,R3
1.
531
1.
194
1.219
m
。
RO
1.
813
这个拓扑能够使每个环路有相同的电阻
，
使它更容易控制
q
因子
。
这个拓扑使我们能
选择回路电感和环路电容
，
以使阻抗峰在
1MHz
10MHz
和
100MHz
。
我们选择电感和电阻
338
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
以实现希望的谐振峰值高度和
q
因子
。
我们在节点
3
使用
AC
电流源仿真频域阻抗
，
芯片焊盘具有
1A
的幅度
，
节点
3
的电压
等效于以欧姆为单位的阻抗
。
此外
，
在每个中间节点上的电压测量也表示在图
9-29
中
。
ADS
Frequency
=208.9
kHz
Mag
(Ztarget)
=0.050
m_Z_target
uopou)
&JD
E
S
B p o u )
&D
E
W
60P0U)
oo
B
n
m e w
IE-3
1E5
m2
Frequency
=
10.00
MHz
Mag
(node3)
=0.050
峰值
m3
Frequency
=
100.0MHz
Mag
(node3)
=0.050
峰值
IE-2
ml
Frequency
=
1
.000MHz
Mag
(node3)
=0.051
峰值
1E6
1E7
频率
(
Hz)
1E8
9E8
图
9-29
仿真图
9-28
所示电路中的
3
个节点的阻抗
，
观察由
1A
AC
电流源产生的电压
。
注
意
：
节点
3
上的电压是从芯片焊盘
（
节点
1
）
看到的有效阻抗
。
我们调整电路元件
，
以产生
3
个不同的并联谐振峰
，
每个具有相同的
q
因子和峰值阻抗
来自节点
3
、
芯片焊盘的阻抗
，
展示谐振峰为
1MHz
、
10MHz
和
100MHz,
每个满足
50
m
。
的目标阻抗
。
每种情况下的
q
因子是
4
。
峰
ml
与节点
1
的谐振相关
，
峰
m2
与节点
2
的谐振相关
，
峰
m3
与节点
3
的谐振相关
。
我们使用方波电流激励每个
PDN
峰
。
因为
q
因子是
4,
所以它看起来大约为
4
个周期
实现的最大振铃
。
我们使用不同频率去激励每个峰
。
为保证每个方波一次仅激励一个峰,
我们调整上升时间
，
以减小仿真下个高峰的十次谐波的能量
。
图
9-30
所示为驱动
PDN
的
电流波形和由此在芯片焊盘上产生的电压噪声
。
图
9-30
中的左图是使用
。
〜
1A
的
1MHz
方波所激励的
。
我们使用足够缓慢的上升和
下降时间
，
结果是较高的谐振频率没有被边缘速度所仿真
。
1MHz
的谐振大约在
4.3
；
is
处
达到最大深度
969mV,
这很好地用在与目标阻抗计算的
5%
容差相关联的
950mV
之上
。
第
9
章
瞬时电流和
PDN
电压噪声
339
m9
Time=5.622us
S3
100MHz..node3=0.962
Mih
___
______
m8
Time=
5.332ps
S3
10MHz..node3=0.967
Min
m7
Time=
4.339u,s
S3
lMHz..node3=0.969
Min
时间
(
ns
)
时间
(
ns
)
时间
(
ns
)
ADS
1.5
1.0
0.5
0.0
ads
1.03
1.02
1.01
1.00
0.99
-
0.98
0.97
0.96
图
9-30
使用不同频率方波和每个方波的定时序列激励每个
PDN
峰
。
注意
：
都使用相同的
q
因子
4,
大约取
4
周
，
电压达到稳态(即最大值)
ads
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
ADS
1.03
-T-
1.02-
1.01
-
1.00--
0.99-
0.98
-
0.97-
0.96
4-
0
时间
(
ns
)
时间
(
ns
)
(V)
n
方波电流为了不重叠而被定时
，
为了瞬时电流用于计算目标阻抗
，
假设电流范围为
0
〜
1A
之间
。
在这个波形情况下
，
每个方波序列与其他的是隔离开的
。
我们观察每一组方
波的电压响应以到达相同的深度
。
图
9-30
的中间的图显示
，
开始大约
5ks
后出现
10
MHz
的方波电流
。
运行
4
个周期到
达第二谐振的最大电压波形
，
在
5.33
右处电压下垂到
967mV,
这比第一个谐振最小值稍
低
。
这可能是因为
10MHz
方波电流已经激励出
1MHz
和
10MHz
两个峰
。
由于
10MHz
方
波的上升时间受到限制
，
所以
100MHz
峰没有被激励起来
。
然后在大约
5.4*
时
，
开始出现
100MHz
的方波电流
，
最深凹坑在
5.62*
时出现,
是
962mV
。
所有
3
个谐振峰值被
100MHz
的电流波形同时激励
，
至此出现最深的凹坑
，
但
是仍旧在
Vdd
—
5%(950mV)
之上
。
提示
当应用恒定频率的方波电流并激励一个单独峰时
，
我们看到
：
峰值电压响应能
很好地满足与目标阻抗指标相关的士
5%
的容差
。
目标阻抗是预期
PDN
噪声的
鲁棒性指示器
。
可是
，
如果我们仔细地安排这些相同的方波电流序列
，
则能建立最大电压响应超过
±5%
容差的恶劣波
。
为了产生恶劣波
，
我们依次激励每个阻抗峰
。
在低频谐振峰值电压达到时
，
激励下一
个谐振峰
。
在第一个和第二个谐振峰被激励后
，
并在其他两个消失前激励第三个谐振
。
用
这种方法
，
仔细定时的关于不同频率方波电流的恶劣波建立了起来
。
图
9-31
所示为这种仔
细控制的方波序列
，
这是从芯片焊盘上产生的电压响应
。