信号完整性讲训2.ppt

中国科大 快电子学 安琪 二. 电源与地系统 电源和地系统的基本设计原则 基本设计原则1 公共通道噪声电压 基本设计原则1 基本设计原则2 基本设计原则3 例1：双层PCB板的电源与地系统 双层PCB板电源与地系统的局限 例2：差分传输电路 要点 电源电压的分布 电源电压的分布 1．电源分布线的电阻 2．电源分布线的电感 ? 使用低电感导线 使用扁平带状线结构的导体 ? 使用高噪声容限的器件。 板级电源旁路 电源分布线上电感 电源分布线上的电压噪声 2. 减少电源上高速电流变化的基本思路 旁路电容的作用 电源旁路与电源滤波 3. 旁路电容的容值计算 旁路电容的容值计算步骤 例6-2-1 例6-2-1 要点： 6-2-3 本地的小电容矩阵滤波 2. 分布小旁路电容阵列 3.分布小旁路电容阵列的容值计算 容值计算 例6-2-2：计算小旁路电容阵列中电容器的容值 要点： 6-2-4 平行板电容器 旁路电容的阻抗曲线 从以上分析可知：一个大的旁路电容只能允许电源系统工作在频率Fbypass。为了保证在这个频率以上时的低阻抗通道，我们需要另一个具有低串联电感的电容。这个问题可以用分布的小旁路电容阵列来解决，小电容体积小，其本身的串联电感也小。在更高的频率环境下，为电源和地之间提供有效的低阻抗通道。因此，从原理上讲，一个大的旁路电容和分布的小旁路电容阵列的组合可以满足基本设计原则3。 ? 由此看来，电源和地之间的阻抗由三方面的因素决定： ? 低频时的电源分布线电感的阻抗。 ? 中频时的板级大旁路电容的容抗和其离散串联电感的感抗。 ? 高频时的分布小旁路电容阵列的阻抗。 4个步骤： ? 考虑高速数字电路工作的最高频率—膝频率和在这一工作频率时所允许的最大的电 源-地之间阻抗，计算所允许的小旁路电容阵列的总电感值Ltot 。 （6-2-10） 这里：XMAX 为电路系统所允许的最大的电源-地之间阻抗，tr 为逻辑电路信号的上升时间。 ? 考虑准备使用的小旁路电容的串联电感值。一个表面封装（Surface-Mounted）的 电容上，再加上一个距离很近的圆过孔，其等效的串联电感典型值为1nH；一个穿 孔（Through-Hole）电容的串联电感值为5nH。由此我们可以计算满足所允许的总 电感值的小旁路电容器的数量（N）： （6-2-11） 这里，LC3 是每一个小旁路电容的串联电感值。 ? 小旁路电容阵列的总电容值的等效容抗值必须小于频率为Fbypass时的最大的电源-地 之间阻抗，基于这一点，我们可以计算小旁路电容阵列的总电容值： （6-2-12） 这里：XMAX 为电路系统所允许的最大的电源-地之间阻抗，Fbypass为板级旁路电容可以工作的频 率上限。 ? 最后，计算小旁路电容阵列中每一个电容器的容值： （6-2-13） 在例6-2-1中，我们需要一个10?F的旁路电容做板级滤波。假定这个10?F的旁路电容的串联电感为5nH，所允许的最大电源-地之间阻抗仍为0.1?。我们有：XMAX = 0.1?，tr = 5ns，则小旁路电容阵列的总电感值Ltot 为： 若使用穿孔电容器，则： 所需要的小旁路电容器的数量为： 由以上的例子已知：Fbypass = 3.18MHz，所以小旁路电容阵列的总电容值为： 最后，小旁路电容阵列中每一个电容器的容值为： * * ? 电源和地系统设计的基本原则 ? 电源电压的分布 电源和地系统在高速数字系统中的作用： ? 为信号提供稳定的电压参考电平。 ? 为系统提供足够的能源，并将同一的电源电压分布到系统的所 有器件中。 ? 控制信号之间的干扰。 电源与地系统的设计，都将围绕着如何实现电源和地系统的这三个基本功能来展开。 首先我们来看图6-1-1中的电路：这是一个单端逻辑（Single-Ended Logic）电路。逻辑门A产生一个输出电压信号V1，当该信号沿着线B传输到逻辑门C的输入端时，逻辑门C需要探测输入的逻辑电平是“1”还是“0”。为了实现这一点，逻辑门C使用一个差分放大器， 将输入电压的信号幅度与其内部的一个参考电压R进行比较。参考电压R的值由具体的逻辑电路系列而定，一般是该系列逻辑电路高、低电平之间的中间值。 图6-1-1 单端逻辑电路的电压参考 如图6-1-1所示：假定这个电压参考值是地电平以上的一个固定的电压值R，并考虑到一个可能的噪声电压N，则逻辑门C内差分放大器的输入电压为： （6-1-1） A和C的接地点之间的任何噪声都会在两点间产生一个电压差（