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64 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 这 个 简 单 的 模型 能 够很好地描 述这 个 真 实 的组 件 ， 这 是 非 常 值 得注意 的 。 但 是 ， 这 个 模型最大 只 能 匹 配 大 约 400MHz 的 度 量 响 应 。 正如我 们以前 看 到 的那 样 ， 夹 具 的 有 限 尺寸 开始在 高频率 下 起 作 用 ， 并 且 它必 须 包含 在模型 中 。 在每 一 …
第
3
章低阻抗测量
63
频率
（
Hz
）
日 更 怅 国
率
频
Z
H
率
频
Z
H
图
3-34
测量电容固定板的
S
21
和转换阻抗
使用以下值后
，
能得到很好的近似
，
如图
3-35
所示
。
R
=
0.
01
。
C=175nF
L
=
0.
41nH
频率
（
Hz
）
(
Hu
)
曲
超 繇
典
(
G
)
屈
矛 降 班
图
3-35
左上图显示一个简单
RLC
模型的测量阻抗
（
圆圈
）
、
模拟阻抗
（
实线
）
和基于阻抗的
实部
、
虚部提取的
L
值和
R
值
64
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
这个简单的模型能够很好地描述这个真实的组件
，
这是非常值得注意的
。
但是
，
这个
模型最大只能匹配大约
400MHz
的度量响应
。
正如我们以前看到的那样
，
夹具的有限尺寸
开始在高频率下起作用
，
并且它必须包含在模型中
。
在每一端夹具最简单的模型是一条短
均匀的传输线
。
提示
值得注意的是
，
以各种方式安装在电路板上的实际电容的测量阻抗曲线与一个
简单的
RLC
电路在非常高的频率时很匹配
。
复杂的结构可以有简单的模型
。
在这个电容固定板上
，
从
SMA
的起始端到板中心
（
电容安于此处
〉
的连接长度在每一
边大约都是
0.7in
。
再次
，
选择简单的传输线来表示夹具
。
长度被硬编码到传输线模型中,
将特征阻抗作为唯一参数来匹配测量数据
。
经过几次试验后
，
发现
3.
50
得到了很好的一
致性
。
这是一个合理的值
，
因为
SMA
和电容之间的连接是一个宽的平面
。
当在
RLC
模型的任何一端添加传输线夹具模型时
，
我们看到图
3-36
所示的结果是非
常好的
。
100
(
c
)
耳
屈
聚
*
.o
o1
1
(
H U
)
n
6
eO
8
6
4
2
0
。
s
s
s
le09
3eO9
频率
（
Hz
）
频率
（
Hz
）
(
c
)
H
频率
（
Hz
）
频率
（
Hz
）
图
3-36
比较了测量和模拟响应
，
包括夹具的传输线模型和安装到固定板上电容器的简
单
RLC
电路模型
这个简单的
RLC
串联电路描述电容器和两种均匀的传输线
，
以便描述电容器夹具具有
非常好的近似
。
评价测量和模拟阻抗之间的剩余差异是电容器的一个真实特性
，
还是与这
个简单模型没有考虑到的夹具寄生有关
，
这是很困难的
。
这就是为什么你应该不断设计夹
具
，
以
便在测量中引入尽可能少的伪像
。
提示
由于夹具长度引入的伪像影响了提取阻抗的实部
，
所以要设计尽可能短的夹具
，
并且使传输线电阻尽可能接近
50
。
。
第
3
章低阻抗测量
65
存在这样一种可能性
：
当工作频率从
40MHz
增加到
800MHz
时
，
电容器阻抗的实部
反映了它的真实特征
，
这可能与陶瓷的耗散因子
、
高频时电容板的数量
、
电容器的串联电
阻和连接的导体有关
。
这些特性不包括在简单的
RLC
模型中
。
从模型中提取电容值是电容器的大容量电容
。
这个基准为
220nF
。
提取值为
175nF
。
这大约降低了
25%,
是预料之中的
。
提取的电阻是
0.010
。
这通常被称为等效串联电阻
（
ESR
）
。
ESR
是电容器的一个重要
特性
，
它在阻尼并联谐振中起着主导作用
。
L=0.41nH
这个值被称为等效串联电感
（
ESL
）
。
它不是电容的固有值
，
而是与其如何
安装到印制板上有关
。
它是电容器中最重要的设计术语
，
因为它从根本上限制了
PDN
所
需要的电容器的最小数量
。
将电容器集成到某个系统的目的是设计尽可能低的
ESL
。
在这
种情况下
，
ESL
的相对较低值是由
X2Y
电容的特殊设计而造成的
，
这使得安装电感值很
小和通孔和焊盘几乎是内置在测试板上的
。
根据电容器的安装方式
，
我们可以测量
ESL
的任意值
，
这取决于它是如何安装到印制
板上的
，
电容器下的电路板的层叠形式
，
以及在电容器和端口位置之间有多少分散电感存
在
。
它不是电容的固有特性
。
我们可以利用双端口技术来探索不同的电容安装技术
，
并通过经验来确定总安装电
感
。
例如
，
图
3-37
显示了两个类似电容器的测量阻抗曲线
，
这些电容器安装在一个多层固
定板上不同轨迹长度的表面上
。
在这两个例子中
ESL
为
0.
2nH
和
0.
9nH
o
1E1
1E-1
1E-2
1E6
1E7
1E8
1E9
频率
（
Hz
）
图
3-37
两种电容的测量
（
圆圈
）
和模拟
（
实线
）
阻抗
，
它们有不同的安装结构
，
这导致了截然
不同的
ESL
。
没有显示的
SMA
作为双端口测量装置的一部分
高频端的阻抗显示了在两种不同安装技术下
ESL
的巨大差异
。
在接近通孔焊盘的安装
中
，
从测量中提取的
ESL
是
0.2nH
。
当表面的轨迹只有
20mil
长的时候
，
把电容垫连接到
通孔中
，
ESL
就会显著增加到
0.
9nH
。
这个例子说明了电容设计的小细节对实现低
ESL
是多么重要的
。
提示
利用这些低阻抗测量技术
，
我们可以测量电容的安装电感
。
值得注意的是
，
细
微的差别对安装电感有很大的影响
。