PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第81页
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 …
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
。
66
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
3.
14
高级主题
：
测量片上电容
测量低阻抗的双端口方法不局限于非常低的阻抗
。
该方法也适合测量与片上电容阻抗
相关的大动态范围
，
这是
PDN
最重要的属性之
一⑷
。
本节使用
3
种构造对片上电容介绍了双端口测量
：
仅从碰撞角度
，
从单个成对封装球
的角度
，
以及从两对封装球的角度
。
在每一种情况下
，
我们必须解释测量方法以包括测量
装置中一些未校准的扩展
。
通过对两个端口使用两个不同的球或碰撞对
，
我们可以对
DUT
进行更深入的测量
，
并消除一些与真正想测量的设备串联的阻抗
。
然而
，
双球对的测量有
时会因插入损耗或超跳效应而降低
。
我们从探索只有碰撞开始
。
图
3-38
演示了从
C4
碰撞中探测片上
Vdd
和
Vss
轨道的测量配置
。
该芯片由
VNA
进行偏置,
两个探针点相对较近
。
VNA
被校准到微探针的
尖端
。
这些小技巧的剩余
、
未校正或不可复制
的电路元件可以粗略地近似为一个传输线元件,
其阻抗为
50Q,
而
TD
大约为
Ips
。
这与大约
lOmil
的尖端位置和变形有关
。
图
3-38
对
Vdd
和
Vss
电源轨道的探测配置
我们用从
300kHz
到
3MHz
的
VNA
测量双端口的
S
参数
。
在
S21
中
，
我们应用下式提
取阻抗
：
Z
dut
=
25
。
1
，
2
巳
（
3-29
）
1
—
021
图
3-39
显
Z5
了
Szi
的测量和
Z
dut
的计算
。
0
-10
«
一
2°
4
-30
-40
-50
-60
1E6
1E7
1E8
1E9
3E9
频率
（
Hz
）
180
135
90
怎
45
g
0
-90
-135
-180
1E6
1E7
1E8
1E9
3E9
(
。
)
w a r n
蜃
5
0
5
3
9
4
1
±
80
1
A
1E7
1E6
频率
（
Hz
）
1E9
3E9
频率
（
Hz
）
图
3-39
在片上从两个不同的焊点上对
Szi
进行测量
，
并从计算中得到转移阻抗