PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第44页
28 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 虽 然 面 对 任 意 电 流波形 的 复杂 的阻 抗曲 线 时 ， 要解 析 计算瞬 时 电 压 是困 难的 ， 但 对 与 任 意 阻 抗曲 线相联系的电 压噪 声 进行 仿 真 是容易 的 。 图 2-18 所 示 为 SPICE 电路的 例 子 , 它 用 于仿 真瞬 时 电 流源 产 生的瞬 时 电 压噪 声 。 电 流 表 测 量 电 流…
第
2
章
PDN
阻抗设计基本原理
27
Z_
串联
R
R77
R=1MQ
I_AC
7
SRC85
lac=polar(l
t
O)A
Frequency=Frequency
'
1
~~
/
VVV
―::
Z*
联
①
I_AC
SRC51
<
lac=polar(l,0)A
:
F
requancy=
F
requancy^
R
R43
R=1MQ
,-
图
2
-
16
从两个不同的边看上去的
PDN
电路拓扑
，
呈现并联或串联电路
阻抗曲线来看
，
我们可将优值与估计值相比较
，
一
致性非常好
。
在测量
PDN
时
，
这个电路是重要的
。
阻抗曲线和测量的准确内容是如何阻抗测
量与相联系的
。
2.
10
瞬态响应
如果电流流过这个电路的话
，
那么电
路的阻抗曲线是对与其混合在一起的电压
噪声的直接指
示⑺
。
当电流的频率分量流
过这个阻抗时
，
在这个频率处产生的电压
与电流的振幅和阻抗有关
。
Vnoi
se
(
/
)
=
7(/)
X
Z(/)
(2-51)
注意
；
当进行时域分析时
，
我们仅仅
评估稳态时不变响应
。
实际上我们假设每
个电流的频率分量是连续的
，
电压响应是
图
2-17
C=50nF
、
L=0.
InH
、
=0.
05
。
和
Reads
=
0.
01Q
的
LC
并联和串联的
RLC
电路的阻抗和最小阻抗以及峰值阻抗
。
注
意
：
最小和最大值与估计的优值非常一致
稳态响应
。
可是
，
这常常是希望的响应
。
有几种情况常常适用于恶劣波
，
正如第
9
章讨论
的那样
，
这里的瞬态响应揭示了不会在频域内出现的新行为
。
提示
频域响应是好的一阶评估
，
能帮助我们快速地估算
PDN
的电压响应
。
可是它不
是完整的响应
，
特别是当电流源有复杂行为时
。
这就是分析瞬态响应总是很重
要的原因
。
28
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
虽然面对任意电流波形的复杂的阻抗曲线时
，
要解析计算瞬时电压是困难的
，
但对与
任意阻抗曲线相联系的电压噪声进行仿真是容易的
。
图
2-18
所示为
SPICE
电路的例子,
它用于仿真瞬时电流源产生的瞬时电压噪声
。
电流表
测量
电流
仿真电压
V_pdn
图
2-18
用于仿真瞬时电流流过
RLC
组合电路产生电压的典型电路模型
。
那里的电流表用
于显示瞬时电流
在这个例子中
，
电路模型左边的
R
和
L
元件已加入到电压调整模块
（
VRM
）
的仿真中
。
两个串联的
RLC
电路已被加入到实际的
去耦电容器的仿真中
。
作为仿真瞬时响应
的序曲
，
我们首先要看这个电路在频域内
的阻抗曲线如图
2-19
所示
。
当
PRF
为
25MHz
的频率分量流过这
个电路时
，
可看到大的阻抗
，电路在两端
产生了大的电压
。
在时域
，
由
PRF
产生的噪声在
PRF
时出现振铃
。
在时域仿真中
，
振铃幅度依
赖于在电流波形中当为
PRF
时有多大的
振幅存在
。
电流波形的频带宽度揭示了最高预期
的正弦波频率和与有关电流上升时间之间
的粗略关系
图
2-19
前面例子中电路的阻抗曲线
，
已加入了
VRM
模型
。
注意
：
并联谐振发生在
25MHz
左右
BW
=
K
1
(2-52)
式中
，
BW
是信号的频带宽度
（
GHz
）
；
RT
是波形
10%
〜
90%
的上升时间
（
ns
）
。
例如
，
电流波形在
10ns
的上升时间内给出的频带宽度为
：
BW
-
=
0.
035GHz
=
35MHz
（
2-53
）
对于
10ns
上升时间的电流阶跃
，
预期的
频率分量高达
35MHz,
但是超
过这个
频率后
第
2
章
PDN
阻抗设计基本原理
29
分量就很小了
。
如果这个阶跃电流流过图
2-18
所示的电路且具有
25MHz
的
PRF,
那么我
们可能看到由于高阻抗而在
25MHz
处产生的振铃
。
如果电流阶跃的上升时间增加到
30ns,
那么频带宽度下降到大约
10MHz
。
在
25MHz
处电流分量的振幅很小
，
可看到预期的电压噪声下降
。
这个例子显示在图
2-20
中
，
图上显
示了
10ns
和
30ns
上升时间的瞬态电流波形
，
产生的瞬时电压噪声如图
2-18
所示
。
注意
：
即使电流波形有平滑的高斯边缘
，
电路两端产生的电压
，
在阻抗有峰值的
PRF
处仍旧显示大的振铃
。
这个电路的
PRF
是
25MHz,
振铃的周期是
40ns,
这些图和
PRF
是对应的
。
虽然上
升时间发生了改变
，
但振铃频率不变
。
振铃频率是电路固有的
，
与
PRF
有关但与电流波
形无关
。
提示
在
PDN
中测量的振铃电压噪声常常是阻抗曲线峰值的指示
。
振铃的幅度与峰的
高度和振铃频率时电流波形内的能量有关
。
这就是并联谐振在
PDN
设计中如此
重要的原因
。
振铃幅度依赖于电流阶跃在振铃频率时的相关能量
。
上升时间越长
，
在
25MHz
处的
能量越少
，
噪声幅度越低
。
1
O
9
8
7
6
5
4
3
2
1
O
J
L
L
S
S
O.
S
O.
Q
O.
S
O.
O.
-O
(V)
煨
出
RT=10ns
时间
(ns)
150
t
------------------------------------------------------------
150
-1
--------
1
--------
1
--------
1
--------
1
--------
1
--------
1
--------
1
--------
1
--------
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
时间
(ns)
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
时间
(ns)
-150
，
0
oo
5o
o
5o
nn
1
二
(
>
6
)
限 跳
出
把
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
时间
(
ns)
O
图
2-20
使用两个不同的上升时间仿真阶跃响应的瞬时电流
，
结果产生图
2-
18
电路所示的双
端口电压噪声
这就是并联谐振在
PDN
设计中如此重要的原因
。
电流的频率分量和
PRF
时的峰值阻