PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第419页

第 10 章 PDN 设计的 实 用 方法 403 通过 在 三个不同 的 时 间 尺度 上使 用自 定 义 的 上升 时 间 来 阐述 激 励 每 单个 峰 值 的 上升 时 间 。 ( > ) 田 双 宏 密 ADS 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 IE- 8 1E-7 IE- 6 IE-5 4E-5 时 间 （ ns ） 图 10-19 使 用 1ns 上升 时 间的电 流 阶跃 激 励 的 三 峰 PDN …

100%1 / 453
402
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
表
10
・
15
比较
3
种不同分析方法的损耗项
：
PRC
、
ADS
频域和
ADS
时域
。
一致性是明显的
PRC
ADS
FD
ADS
FD
阻尼机制
类型
电阻
—
心峰
—
/_tran
Vp_p
z_
峰
—
q
因子源
—
m
。
q
因子
m
。
q
因子
A
mV
mH
q
因子
泄漏电阻
并联
333
9.
3
333
9.
3
1
419
329
9.
1
负载电阻
：
从
0.001
〜
1A
（
开关电容器负载
）
并联
1998
55.5
1998
55.3
0.
999
2252
1770
49.2
负载电阻
：
从
1
〜
9A
（
开关电容器负载
）
并联
200
5.
6
200
5.
6
8
2065
203
5.
6
片上电容
串联
2.
5
14.
4
523
14.
5
1
653
513
14.
2
泵回路电阻
串联
1.
5
23.3
787
21.
9
1
989
777
21.
6
组合
q
因子
一
—
2.
5
91
2.
5
8
903
89
2.
5
Zo
（
谐振电抗
）
m
。
36.
0
一
这些计算中的关键是特性阻抗
Z
。
，
在
PRC
中
，
它的计算值为
36m
0,
ADS
的仿真也
为
36m
。
。
PRC
计算
q
因子用的是电阻与电抗之比
。
我们计算
ADS
频域
q
因子使用的是阻
抗峰的高度除以
Z
。
。
ADS
时域仿真的阻抗峰值是用峰-峰电压除以瞬时电流和傅里叶系数
而得到的
。
然后
，
使用时域阻抗峰值除以
Z
。
得到
q
因子
，
就像频域那样
。
表
10-15
中给出了使用
3
种不同方法得到的
q
因子
，
显示
1A
瞬时电流行的负载电阻
是为了参考
。
相反
，
1A
和
8A
负载阻尼证明了当电流变得高时它们的重要性
。
组合的
q
因
子在仿真时涉及的是
8A
瞬时电流
，
电流计算时用的是
200m
0
的电阻器
。
PRC
、
频域和时
域仿真之间的一致性非常好
。
提示
单独用电子数据表格式
、
频域仿真或时域仿真考虑每一个损耗机制
，
这个分析
支持这些方法
。
组合这些单独的
q
因子可得到总的
q
因子
。
使用这些
q
因子
，
是识别最强阻尼机制有用的技术
，
这个技术可用于控制阻抗峰值高度
。
10.
14
上升时间和阻抗峰激励
在前面的例子中
，
瞬时电流的导通需要大约一个时钟周期
。
这意味着它包含非常宽的
信号带宽
，
从几倍时钟频率到直流
，
或我们选择看的部分
。
这种瞬时电流具有的频率分量
可激励
PDN
阻抗曲线上的所有谐振
。
可是
，
如果电流阶跃的上升时间来包含足够的频率
分量来激励一个特定的谐振呢
？
电流的上升时间对激励电压响应具有严重的影响
。
例如
，
我们评估具有
1ns
上升时间的信号带宽
：
BW
=
=
0.
35GHz
=
350MHz
（
10-43
）
RT
ins
一个重要的考虑是究竟这个电流负载的上升时间是否有足够的频率分量来激励谐振?
上升时间越短
，
就能仿真越高的谐振频率
，
较长的上升时间则不能
。
图
10-19
所示为三峰
PDN
拉出完整
8A
瞬时电流时的电压曲线
，
它开始在
10ns,
上升
时间为
1ns
。
上升时间足够快
，
可以仿真所有的
3
个阻抗峰
。
44MHz
的
Bandini
山峰值,
在大约
16ns
时产生下垂
。
2MHz
的峰值在大约
180ns
时产生下垂
，
要看到它是有一些困难
的
，
因为
Bandini
山的剩余振铃
。
130kHz
的峰大约在
2
网时产生下垂
。
我们在不常用的时
间对数坐标上画出波形
，
在同一个图上来看
3
个阻抗峰中每一个的影响
。
可以证明
：
我们
第
10
章
PDN
设计的实用方法
403
通过在三个不同的时间尺度上使用自定义的上升时间来阐述激励每单个峰值的上升时间
。
(
>
)
田
双
宏密
ADS
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
IE-8
1E-7
IE-6
IE-5
4E-5
时间
（
ns
）
图
10-19
使用
1ns
上升时间的电流阶跃激励的三峰
PDN,
在对数时间刻度上的时域波形
。
Bandini
山的高频峰下垂发生在
16ns,
第二个高频率峰下垂发生在
180ns
时
，
第三
个峰的下垂发生在
2us
首先
，
我们选择理想电流阶跃的上升时间从
1ns
增加到
63ns,
使用它来激励三峰
PDN
O
这个
PDN
的
Bandini
山是在
44.
1MHz
处
。
这是最高频率的峰
，
也可说是第一峰
。
与第一峰关联的下垂称为第一下垂
。
使用式
（
10-43
）
来估算带宽
，
当信号带宽减小到低于峰值频率时
，
或上升时间长于
0
・
35/0.0441GHz=7.9ns
时
，
我们预期仿真阻抗峰下降
。
图
10-
20
显示了仿真结果
。
顶部
图形显示芯片电压
，
底部图形显示了泵电流
，
它是负载电流被滤波的版本
。
ADS
1.2
O
7
6
4
2
0
O.
1
1
1
1
DS
(
4
)
A
0
9
0
c
L
6
0.
A )
出
赛
7
纥
40
5
3
30
52
20
51
1
O
O
O
«
1
5
9
90
5
8
80
75
O
7
5
6
60
8
6
4
2
艰硼
廉
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
时间
（
ns
）
图
10-20
当改变理想瞬时阶跃电流的上升时间和电流响应带宽减小到低于峰值频率时
，
它
们对仿真
PDN
电压的影响
。
这个例子使用了具有不同上升时间的理想恒流源
。
顶
部
：
不同上升时间电流边缘在芯片焊盘上的仿真电压
。
较长的上升时间不能仿真
高频阻抗峰
。
底部
：
通过封装的阶跃电流响应
404
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
增加上升时间的频率内容会渐渐消失
，
所以没有尖锐的转移
。
缓慢的
5
个上升时间长
于
8.4ns,
最快的
5
个上升时间短于
7.9ns
。
在图上可观察到断点
，
这里不再能够仿真
Bandini山
。
在能仿真谐振和不能之间的上升时间存在一个渐变过程
。
对于最快的上升时
间
，
下垂的最深部分似乎是在瞬时电流开始后的大约
8.
4ns,
所以看起来上升时间长于
8.
4ns,
阻抗峰有消失的效应
。
提示可观察到随着增加上升时间
，
下垂减小的重要影响
。
如果增加电流负载上升时
间超过一个能仿真重要阻抗峰的点
，
那么我们能大大改善
PDN
电压下垂性能
。
一些数字电路应用已经采取预定时间量来填充和抽空
。
如果
PDN
电流拉出的上升和
下降时间能保证大于一定的阈值
，
则阻抗峰的仿真是不必要的
，
因为没有足够的频率内容
来激励它们
。
我们执行相同的分析来对三峰
PDN
中的第二个峰
。
与第二个峰关联的下垂称为第二
下垂
，
这个
PDN
的第二峰是在
L
98MHz
处
。
使用式
(
10-43)
估算频率内容
，
我们预期
仿真第二峰的上升时间要短于
0.
35/1.
98MHz=177ns
o
我们也能预期第二峰发生在产生瞬
时电流后的
177ns
。
图
10-21
显示仿真时间扫略为
40ns.
63ns
、
100ns.
158ns.
251ns
、
398ns
、
631ns.
1000ns
o
较短的上升时间中仍旧有一些第一峰
(
42MHz)
的内容
，
所以在
开始时它是有些粗糙的
。
ADS
时间
(
ns
)
ii
io
9
8
7
6
5
4
3
2
1
(
>
)
田
双
日
七
ADS
<
堤
-a
3
联
•
•
•
r
1
i
•
r
'
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—
I
'
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•
r
•
i
t
t
—
i
r
i
r
i
•
i
•
i
•
j
•
•
i
1
i
•
i
1
j
r
i
,
ooooooo
oooooooooo
ooooo
oooo
Z
b
9
00
O
CM
寸
98
。
Z
寸
980rM
寸
9
8
0cM
寸
980
一
一
一
一
一
7rzz
ZEE
EEE
寸
寸
寸
寸
寸
IT)
时间
(ns)
图
10-21
当使用从
40
〜
1000ns
不同上升时间的理想阶跃瞬时电流激励时
，
在芯片焊盘上仿
真的电压噪声
，
这个上升时间对应带宽高于和低于第二阻抗峰
。
顶部
：
芯片焊盘上
的仿真电压
。
注意
：
短上升时间电流源能够激励第一谐振峰
，
给出初始的波纹
。
底
部
：
不同上升时间时的瞬时电流负载波形