PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第371页

第 9 章瞬 时 电 流 和 PDN 电 压噪 声 355 0 10 20 30 m2 Ti me= 14.032ns Di e=0 .944 Min 40 50 60 70 m3 Tim e=50.00ns Di e= 1.025 Max 80 90 100 110 120 130 140 150 160 时 间 （ ns ） ( > ) 图 壬 H 均 图 9-41 （ 续 ） 正如 预 期 一 样 ， 可以 看 到 PDN …

100%1 / 453
354
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
V
s
tep
=
Istep
X
Zo
=
3.
10A
X
32m
。
=
98mV
(9-
48)
测量的下垂是
(
1.
000-0.
894)V=106mV,
因为时钟边缘噪声是叠加在阶跃响应上面
。
9.
19
高级主题
：
实际
CMOS
场合应用时钟门控
、
时钟吞咽和电源选通
前面的几个图形显示了时钟门控的影响
。
大约在
2ns
开始仿真
，
我们看到单个时钟脉
冲对
PDN
有影响
。
它对时钟边缘噪声有相同的脉冲响应
。
当时钟突然门控时
，
我们看到阶跃响应标记显示大约为
20ns
。
PDN
电压近似下垂到的
电压
一一
瞬时电流乘以
PDN
的
Bandini
山特性阻抗之积
。
这不是
PDN
阻抗峰值的特性阻
抗是否满足目标阻抗的问题
，
而是
PDN
的特性阻抗高于目标阻抗的二倍因子的问题
。
当
时钟受门控时
，
会经受二倍电压容差的电压下垂
。
提示
特性阻抗满足目标阻抗的
PDN
是能够承受全瞬时电流阶跃的
。
当时钟突然受到
门控
，
PDN
停留在电压容差之内
。
特性阻抗实质上超过了目标阻抗的
PDN
设
计
，
这时使用这些瞬时波形会有麻烦
。
谐振响应被时钟门控以重复的方式进行仿真
，
这种方式仿真
PDN
谐振峰至最大范围
。
PDN
电压响应的行为是好的
，
只要
q
因子不超过
L
6,
PDN
具有单个阻抗峰
。
脉冲吞咽是时钟门控的一种形式
，
已经成为普通的方法来管理过电流和过热的场合
。
这个抗冲击响应的最简单的例子显示在大约
40ns
时
。
若一个时钟脉冲被时钟门控吞咽
，
这
对
PDN
是具有十分扰乱性的
。
图
9-41
所示为时钟门控半频率和全频率的例子
。
在大约
10ns
时是
100%
的门控
，
在大
约
50ns
时每隔开一个脉冲吞咽一个
，
切割成为半频率
，
在
100ns
时又回到全频率
。
ADS
O
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
时间
(
ns
)
图
9-41
时钟频率被调制的波形
，
这依靠时钟吞咽技术
。
首先是全频率
，
然后是半频率
，
再
(
<
)
式
赛
V
标
(
4
)
修
安
去
回
gNad
然后又是全频率
。
调制时钟频率就是调制动态电流
，
我们看到了片上
PDN
电压的
部分阶跃响应
第
9
章瞬时电流和
PDN
电压噪声
355
0
10
20
30
m2
Time=
14.032ns
Die=0.944
Min
40
50
60
70
m3
Time=50.00ns
Die=
1.025
Max
80
90
100
110
120
130
140
150
160
时间
（
ns
）
(
>
)
图 壬
H
均
图
9-41
（
续
）
正如预期一样
，
可以看到
PDN
电压摆动行为
。
正常的全时钟带来
50mV
或者
5%
的下
垂
；
转移到半时钟带来
25mV
或者
2.5%
的过冲
；
从半时钟返回到全时钟带来
2
・
5%
的下
垂
。
时钟边缘噪声在下面的电流转移之上
，
高频引起下垂稍微增加
。
开关电容器模仿
CMOS
电路的行为
，
以证明这些基本的影响
，
包括阻尼改变带来的影响
。
图
9-42
所示为更详细的时钟吞咽
。
1GHz
被门控
12ns,
PDN
承受熟悉的时钟门下垂
。
在大约
48ns
时
，
四个时钟中的一个被吞咽
，
代表的时钟吞咽格式为
HlOlHOlllO
。
PDN
电压承受熟悉的有第一个失去时钟脉冲的抗冲击响应
。
然后
，
它处于稳态
，
峰-峰噪声几乎
是
100%
时钟的
2
倍大
。
ads
(
A
)
糜
求
U
82
60
2O
24
O
22
00
2
80
1
1
60
ns)
1
J
间
40
时
4
1
20
00
80
60
40
20
O
图
9-42
时钟被吞咽不同数目的时钟脉冲时受调制的波形
356
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
ADS
1.04
(
>
)
H
钟
七
均
、
0.94
0
1.00
0.98
-
0.96
-
1.02
-
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
-----
x
------------------
时间
(
ns
)
m3
Time=52.00ns
Die=
1.024
Max
m2
Time=
14.032ns
Die=0.944
Min
图
9-42
（
续
）
在
72ns,
每三个时钟吞咽一个脉冲
，
代表的格式是
110110110110
。
并在以下时间
持续
。
•
在
96ns,
每二个时钟吞咽一个脉冲
，
代表的格式是
101010101010
•
在
120ns,
每三个时钟吞咽二个脉冲
，
代表的格式是
100100100100
•
在
144ns,
每四个时钟吞咽三个脉冲
，
代表的格式是
100010001000
•
在
168ns,
每六个时钟吞咽五个脉冲
，
代表的格式是
10000010000
•
在
216ns,
每十二个时钟吞咽十一个脉冲
，
代表的格式是
100000000000
十二位格式是有用的
，
因为它给出了较低功率状态下的多个选择
。
但是很清楚
，
由于
时钟脉冲行为古怪
，
所以它对
PDN
性能有影响
。
最终具有
1/12
子谐波
（
83MHz
）
的模式是
接近
100MHz
的
PDN
谐振频率
。
具有较低时钟频率的瞬时功率减小
。
PDN
响应的好或差,
依赖于阻抗峰值的
q
因子
。
在这种情况下
，
瞬时功率的减小是因子
12,
阻抗曲线与平常的
相同
。
但是在时域
，
我们看到了真实的峰-峰噪声
。
我们已经进入大大降低功率的稳态谐振
仿真
。
在电感器中的电流被松弛后
，
时钟边缘噪声更加突出
，
因为时钟边缘之间的时间
更长
。
提示正如这个例子证明的那样
，
时钟吞咽对于
PDN
是十分具有破坏性的
。
它实质上
会引起突然的且产生非常快的瞬时电流
，
它基本上是一个时钟周期
，
在这个层
面看到的瞬时电流是不充分的
。
准确预测
PDN
性能需要涉及频域
PDN
谐振峰
和在时域分析的来自上升时钟边缘方波电流脉冲的仿真
。
开关电容器负载非常
适合这种场合
。
时钟脉冲之前的特定细节和下一个时钟脉冲的准确定时是很重要的
。
PDN
本质上是有
记忆的
，
并存储最近过去的能量
。
我们的
PDN
有
100MHz
的谐振频率和
10ns
的周期
。
PDN
的时间常数是
：
r
=
—
=
=
1.
5ns
(D
，
n
/o
(9-49)