信号完整性培训

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1、二二. . 电源与地系统电源与地系统 电源和地系统设计的基本原则电源和地系统设计的基本原则 电源电压的分布电源电压的分布中国科大 快电子学 安琪1电源和地系统的基本设计原则电源和地系统的基本设计原则电源和地系统在高速数字系统中的作用：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。有器件中。 控制信号之间的干扰。控制信号之间的干扰。 电电源源与与地地系系统统的的设设计计，都都将将围围绕绕着着如如何何实实现现电电源源和和地地系

2、系统统的的这这三三个个基本功能来展开。基本功能来展开。 中国科大 快电子学 安琪2基本设计原则基本设计原则1 1 首首先先我我们们来来看看图图6-1-16-1-1中中的的电电路路：这这是是一一个个单单端端逻逻辑辑（Single-Ended Single-Ended LogicLogic）电电路路。逻逻辑辑门门A A产产生生一一个个输输出出电电压压信信号号V1V1，当当该该信信号号沿沿着着线线B B传传输输到到逻逻辑辑门门C C的的输输入入端端时时，逻逻辑辑门门C C需需要要探探测测输输入入的的逻逻辑辑电电平平是是“1 1”还还是是“0 0”。为为了了实实现现这这一一点点，逻逻辑辑门门C C使使

3、用用一一个个差差分分放放大大器器， 将将输输入入电电压压的的信信号号幅幅度度与与其其内内部部的的一一个个参参考考电电压压R R进进行行比比较较。参参考考电电压压R R的的值值由由具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。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。图图6-1-1 6-1-1 单端逻辑电路的电压参考单端逻辑电路的电压参考 如图如图6-1-16-1-1所示：假定这个电压参所示：假定这个电压参考值是地电平以上的一个固定的电压值考值是地电平以上的一个固定的电压值R R，并考虑到一个可能的噪声电压并考虑到一个可能的噪声电压N N，则则逻辑

4、门逻辑门C C内差分放大器的输入电压为：内差分放大器的输入电压为：（6-1-16-1-1） A A和和C 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（用的接地点之间的任何噪声都会在两点间产生一个电压差（用N N表示），对于门表示），对于门C C内内的差分放大器，原零电压电平的地参考电压就变成了噪声电压的差分放大器，原零电压电平的地参考电压就变成了噪声电压N N，原参考电压原参考电压R R变成了变成了N+RN+R。或者说：差分放大器的参考电压或者说：差分放大器的参考电压R R不变，噪声电压不变，噪声电压N N直接加在输入信号上了。不管从那个角直接加在输入信号上了。不管从那个角度看这个问题

5、，结论是一样的。这个噪声电压降低了门度看这个问题，结论是一样的。这个噪声电压降低了门C C的噪声容限（的噪声容限（Noise MargeNoise Marge）。）。 中国科大 快电子学 安琪3公共通道噪声电压公共通道噪声电压 噪噪声声电电压压N N基基本本上上是是与与高高速速信信号号的的回回流流电电流流相相关关。只只要要逻逻辑辑门门A A输输出出一一个个信信号号到到逻逻辑辑门门C C，到到达达逻逻辑辑门门C C的的信信号号电电流流必必然然要要通通过过某某个个路路径径返返回回到到逻逻辑辑门门A A，一一般般来来说说是是通通过过地地线线系系统统返返回回。若若地地线线系系统统存存在在着着电电感感，

6、则则高高速速信信号号就就会会在在电电感感上上产产生生感感应应信信号号，即即：噪噪声声。不不仅仅是是逻逻辑辑门门A A和和C C，其其他他任任何何逻逻辑辑产产生生的的回回流流电电流流，若若回回流流通通道道与与逻逻辑辑门门A A和和C C的的地地线线重重合合，也也会会对对它它们们产产生生影影响响。这这个个噪噪声声被被称称为为“公公共共通通道道噪噪声声电电压压”（Common-Common-Path Noise VoltagePath Noise Voltage）。）。如图如图6-1-26-1-2所示。所示。图图6-1-2 6-1-2 公共通道噪声电压公共通道噪声电压中国科大 快电子学 安琪4基本设

7、计原则基本设计原则1 1公公共共通通道道噪噪声声电电压压的的大大小小由由返返回回信信号号电电流流和和地地线线阻阻抗抗的的乘乘积决定。所以积决定。所以电源和地系统设计的基本原则电源和地系统设计的基本原则1 1可以表述为：可以表述为：为为了了减减少少公公共共通通道道噪噪声声电电压压，应应当当在在任任何何逻逻辑辑门门电电路路的的接接地点之间保持低阻抗连接地点之间保持低阻抗连接。中国科大 快电子学 安琪5基本设计原则基本设计原则2 2 公公共共通通道道噪噪声声的的产产生生是是与与互互感感耦耦合合相相关关的的，实实现现低低阻阻抗抗接接地地的的一一个个很很有有效效的的方方法法是是在在印印刷刷电电路路板板设

8、设计计中中采采用用地地平平面面板板。但但是是，单单独独的的低低电电感感地地平平面面板板并并不不能能完完全全解解决决公公共共通通道道噪噪声声的的问问题题。像像图图6-1-36-1-3中中的的电电路路，即即使使各各个个逻逻辑辑门门之之间间是是完完美美的的低低阻阻抗抗连连接接，在在电电源源线线上上的的公公共共通通道道电电感感仍仍然然会会引引起起麻麻烦烦。逻逻辑辑门门的的高高电电平平与与其其相相连连的的电电源源电电压压相相关关，电电源电压的任何变化，都会直接影响到逻辑门的输出电压。源电压的任何变化，都会直接影响到逻辑门的输出电压。 因因此此，任任何何逻逻辑辑门门电电路路的的电电源源连连接接点点之之间间

9、也也必必须须是是低低阻阻抗抗连连接接，同同逻逻辑辑门门电电路路接接地地点之间的低阻抗连接要求是一样的。这是高速系统中电源和地设计的第二个原则。点之间的低阻抗连接要求是一样的。这是高速系统中电源和地设计的第二个原则。 图图6-1-3 6-1-3 电源线上的公共通道噪声电源线上的公共通道噪声 中国科大 快电子学 安琪6基本设计原则基本设计原则3 3在在图图6-1-36-1-3，信信号号回回流流电电流流要要经经过过供供电电电电池池。很很显显然然，为为了了保保持持稳稳定定的的输输出出信信号号的的电电平平，电电池池的的内内阻阻必必须须非非常常低低，同同电电源源的的连连接接，地地连连接接一一样样。如如图图

10、6-1-36-1-3所所示示：电电源源与与地地之之间间的的唯唯一一通通道道是是经经过过电电池池。在在实实际际的的系系统统中中，电源与地之间也还可以有其它的低阻抗通道。电源与地之间也还可以有其它的低阻抗通道。电电源源与与地地之之间间必必须须有有一一些些低低阻阻抗抗的的通通道道。这这是是高高速速系系统统中中电电源源和和地地系系统统设设计计的的第第三三个个原则。原则。图图6-1-3 6-1-3 电源线上的公共通道噪声电源线上的公共通道噪声 满满足足以以上上三三个个基基本本设设计计原原则则的的电电源源和和地地的的系系统统，其其公公共共通通道道噪噪声声将将很很低低，同同时时，它它也也将将一一个个同同一一

11、的的电电源源电电压压分分布布到到系系统统的的各各个个部部分分。稳稳定定的的电电压压参参考考电电平平，低低公公共共通通道道噪噪声声和和在在系系统统的的所所有有部部分分分分布布着着一一个个同同一一的的电电源源电电压压。三三者者是是紧紧密密相相关关的的，若若采采用用某某技技术术措施帮助改善了其中一项，它同时也帮助改善了另外两项。措施帮助改善了其中一项，它同时也帮助改善了另外两项。中国科大 快电子学 安琪7例例1 1：双层：双层PCB板的电源与地系统板的电源与地系统 图图6-1-5的双层的双层PCB板的电源与地系统克服了图板的电源与地系统克服了图2-4单层单层PCB板的电源与地系统的缺陷，给板的电源与

12、地系统的缺陷，给出一个更好的电源和地的设计。该系统使用了两层出一个更好的电源和地的设计。该系统使用了两层PCB覆铜分别作为电源层和地平面层，这覆铜分别作为电源层和地平面层，这种设计保证了电源和地之间几乎完美的低阻抗连接。当两层种设计保证了电源和地之间几乎完美的低阻抗连接。当两层PCB覆铜相互靠得很近时，它们覆铜相互靠得很近时，它们之间存在着大量的平行板电容。在高频时其阻抗极低，允许高频电流在两板之间很容易地双之间存在着大量的平行板电容。在高频时其阻抗极低，允许高频电流在两板之间很容易地双向跨越。当信号频率较低时，各个逻辑门旁的旁路电容可以将电源和地平面板短路在一起。向跨越。当信号频率较低时，各

13、个逻辑门旁的旁路电容可以将电源和地平面板短路在一起。 系统有一个低阻抗的地平面板连接系统有一个低阻抗的地平面板连接着各个器件的接地点，该地平面板为着各个器件的接地点，该地平面板为所有的回流电流提供了低电感通道。所有的回流电流提供了低电感通道。符合基本设计原则符合基本设计原则1 1。 系统有一个低阻抗的电源板连接着系统有一个低阻抗的电源板连接着各个器件的电源连接点，提供了低噪各个器件的电源连接点，提供了低噪声公共通道。符合基本设计原则声公共通道。符合基本设计原则2 2。 最后一个基本设计原则显然是符合最后一个基本设计原则显然是符合的。旁路电容构成了低阻抗的通道。的。旁路电容构成了低阻抗的通道。

14、图图6-1-5 6-1-5 双层双层PCBPCB板的电源与地系统板的电源与地系统 中国科大 快电子学 安琪8双层双层PCB板电源与地系统板电源与地系统的局限的局限 但然，实际的电路系统中，两层但然，实际的电路系统中，两层PCBPCB板是绝对不够的。在上述的例子中，我们并没板是绝对不够的。在上述的例子中，我们并没有涉及到信号间连线的需求。在实际的有涉及到信号间连线的需求。在实际的PCBPCB设计时，连线必须在其它设计时，连线必须在其它PCBPCB层中完成，原层中完成，原则上决不要考虑在电源或地平面层上布信号连线。则上决不要考虑在电源或地平面层上布信号连线。 多层多层PCBPCB板系统板系统 电源

15、层电源层 + + 地平面层地平面层 + + 信号布线层信号布线层 其它因素其它因素 即使采用即使采用多层多层PCBPCB板系统，板系统，使用其它使用其它PCBPCB层中完成信号连线，实际的电路系统也远层中完成信号连线，实际的电路系统也远 不是那么简单，还会有一些其它因素影响公共通道上的低阻抗实现，不是那么简单，还会有一些其它因素影响公共通道上的低阻抗实现， 中国科大 快电子学 安琪9例例2 2：差分传输电路：差分传输电路 图图6-1-66-1-6是一个差分信号传输电路的原理示意图。从差分信号传输的原理可知，是一个差分信号传输电路的原理示意图。从差分信号传输的原理可知，它可以很好的解决前述的电源

16、和地上的噪声问题。如图所示：当由于某种原因，地它可以很好的解决前述的电源和地上的噪声问题。如图所示：当由于某种原因，地线或电源系统上出现了噪声线或电源系统上出现了噪声N N，该噪声电压对接收门电路没有任何影响，因为接收门该噪声电压对接收门电路没有任何影响，因为接收门电路的差分比较器并不以本地的参考电压为基准，而是比较输入的差分信号，给出电路的差分比较器并不以本地的参考电压为基准，而是比较输入的差分信号，给出本级的输出电压信号极性。我们也可以认为该噪声是同时叠加在前级门电路的两个本级的输出电压信号极性。我们也可以认为该噪声是同时叠加在前级门电路的两个差分输出信号上的，对于接收差分电路，它们相当于

17、共模信号，在差分输入级被直差分输出信号上的，对于接收差分电路，它们相当于共模信号，在差分输入级被直接相减了。接相减了。 所所以以说说，差差分分信信号号传传输输电电路路是是解解决决公公共共通通道道噪噪声声电电压压的的很很好好的方法。的方法。图图6-1-6 6-1-6 差分信号传输电路差分信号传输电路 中国科大 快电子学 安琪10要点要点三个基本设计原则：三个基本设计原则：任何器件的接地点之间应保持低阻抗连接。任何器件的接地点之间应保持低阻抗连接。任何器件的电源连接点之间应保持低阻抗连接。任何器件的电源连接点之间应保持低阻抗连接。电源和地之间保持低阻抗连接。电源和地之间保持低阻抗连接。中国科大 快

18、电子学 安琪11电源电压的分布电源电压的分布6-2-1 6-2-1 电源分布线电源分布线 一一般般而而言言，良良好好的的电电源源设设备备都都具具有有非非常常小小的的输输出出阻阻抗抗（内内阻阻）。当当我我们们直直接接从从它它的的输输出出端端子子测测量量时时，电电源源设设备备是是满满足足上上述述的的基基本本设设计计原原则则3 3的的。如如果果电电路路系系统统是是直直接接安安装装在在电电源源设设备备的的输输出出端端子子上上时时，电电路路系系统统就就可可以以从从一一个个低低阻阻抗抗电电源源设设备备获获取取它它所所需需要要的电源电压和电流。的电源电压和电流。 事事实实上上，将将电电路路系系统统是是直直接

19、接安安装装在在电电源源设设备备的的输输出出端端子子上上是是不不现现实实的的。电电路路系系统统和和供供电电电电源源总总是是通通过过导导线线，电电缆缆，或或者者是是PCBPCB连连线线相相连连。我我们们称称它它们们为为电电源源的的分分布布线线。这这些些连连接接，其其直直流流电电阻阻可可以以是是很很小小的的，但但对对于于高高速速数数字字系系统统而而言言，高高、低低电电平平的的频频繁繁切切换换，需需要要从从电电源源设设备备中中频频繁繁地地流流出出和和灌灌入入电电流流，而而且且切切换换速速度度很很快快。这这时时，这这些些导导线线，电电缆缆，或或者者是是PCBPCB连连线线上上存存在在的的相相对对大大的的

20、电电感感，就就会会呈呈现现出出一一个个较较大大的的阻阻抗抗。从从电电路路板板一一侧侧来来看看，电电源源设设备备就就不不再再是是一一个个低低阻阻抗抗输输出出的的电电源源设设备备。基基本本设设计计原原则则3 3自自然然也也就就不不可可能能满满足足了了。高高速速的的切切换换电电流流会会在在电电感感上上产产生生感感应应电电压压，随随着着电电流流的的大大小小和和方方向向变化，感应电压就等同于一个电压噪声。这是我们所不希望的。变化，感应电压就等同于一个电压噪声。这是我们所不希望的。中国科大 快电子学 安琪12电源电压的分布电源电压的分布 直流电源电路系统+ VXI机箱（C Size） 标准标准VXIVXI

21、机箱背板长度为机箱背板长度为2525英寸，电英寸，电源线是相当长的。源线是相当长的。中国科大 快电子学 安琪131 1电源分布线的电阻电源分布线的电阻足够小的电源线电阻足够小的电源线电阻一一般般而而言言，铜铜导导体体的的直直流流电电阻阻是是很很小小的的，只只要要使使用用合合适适直直径径的的导导线线或或相相应应的的铜铜导导体体，直直流流电电阻阻不不应应造造成成电电源源电电压压的的损损失失。但但如如果果需需要要的的供供电电电电流流较较大大时时，太太细细的的导导线线会会导导致致过过多多的的电电压压降降。这这时时只只要要简简单单地地增增加加导导线线的的直直径径即即可可。直直流流电电阻阻的的大大小小与与

22、直直径径的的平平方方成成反反比比例例。当当直直径径减减少少40%40%时时，其其电电阻阻可可减减少少一一半半。因因此此，从从连连线线电电阻阻角角度度上上出出发发，电电源源连线的直径应足够大，以至于其电阻小到可以忽略。连线的直径应足够大，以至于其电阻小到可以忽略。远端电压感应线测量输出电压远端电压感应线测量输出电压 一一些些新新型型的的电电源源设设备备配配备备一一根根远远端端电电压压感感应应线线。使使用用它它可可以以测测量量电电源源分分布布线线远远端端的的电电压压值值，根根据据其其数数值值大大小小，电电源源设设备备可可以以调调整整其其输输出出电电压压，使使其其远远端端的的供供电电电电压压满满足足

23、电电路系统的需求。采用这种技术的电源设备对电源输出连线的要求就可以降低了。路系统的需求。采用这种技术的电源设备对电源输出连线的要求就可以降低了。 中国科大 快电子学 安琪142 2电源分布线的电感电源分布线的电感 电电源源分分布布线线的的电电感感引引起起的的麻麻烦烦要要比比直直流流电电阻阻大大的的多多。如如前前所所述述，迅迅速速变变化化的的电电流流导导致致了了电电源源噪噪声声。从从电电路路系系统统一一侧侧来来看看，相相当当于于电电源源电电压压有有一一个个变变化化，而而且且是是随随机机的的变变化化。不不幸幸的的是是，上上述述的的电电压压感感应应线线技技术术对对此是无能为力的。它的响应速度太慢，无

24、法矫正远端电压的高速变化。此是无能为力的。它的响应速度太慢，无法矫正远端电压的高速变化。 通常有三种可能的途径来处理这个问题：通常有三种可能的途径来处理这个问题：使用低电感导线。使用低电感导线。使用高噪声容限的器件。使用高噪声容限的器件。 减少供电电源上高速的电流变化。减少供电电源上高速的电流变化。中国科大 快电子学 安琪15 使用低电感导线使用低电感导线我我们们首首先先考考虑虑第第一一种种可可能能的的途途径径。因因为为导导线线的的电电感感与与线线直直径径的的对对数数相相关关，因因此此，简简单单的的用用增增加加线线直直径径来来减减少少线线电电感感的的方方法法是是不不可可取取的的。式式6-2-1

25、6-2-1给给出出了了两两条条平平行行的的电电源源分布线（电源线和地线）上的电感的计算公式：分布线（电源线和地线）上的电感的计算公式：其中：其中：X X：线长度。单位：英寸（线长度。单位：英寸（inin）。）。H H：两线之间的平均距离。单位：英寸（两线之间的平均距离。单位：英寸（inin）。）。D D：线直径。单位：英寸（线直径。单位：英寸（inin）。）。L L：电感。单位：毫亨（电感。单位：毫亨（nHnH）。）。 由式（由式（6-2-16-2-1）可看出，即使我们将线的直径增加到一个可笑的地步，依然会有较）可看出，即使我们将线的直径增加到一个可笑的地步，依然会有较大的电感存在。大的电感存

26、在。（6-2-1）中国科大 快电子学 安琪16使用扁平带状线结构的导体使用扁平带状线结构的导体较较宽宽的的扁扁平平带带状状线线结结构构的的导导体体要要比比圆圆导导线线好好的的多多，尤尤其其是是当当一一个个多多层层的的扁扁平平带带状状线线结结构构的的导导体体被被应应用用到到电电源源设设备备和和电电路路系系统统的的连连接接时时。在在这这种种结结构构里里，电电源源和和地地分分别别由由不不同同的的多层扁平带状线（板）组成，叠放在一起。这样一个结构的电感可以用式（多层扁平带状线（板）组成，叠放在一起。这样一个结构的电感可以用式（6-2-26-2-2）来计算。）来计算。其中：其中：X X：扁平带状线（板）

27、长度。单位：英寸（扁平带状线（板）长度。单位：英寸（inin）。）。H H：扁平带状线（板）之间的距离。单位：英寸（扁平带状线（板）之间的距离。单位：英寸（inin）。）。W W：扁平带状线（板）的宽度。单位：英寸（扁平带状线（板）的宽度。单位：英寸（inin）。）。N N：扁平带状线（板）的数目。（扁平带状线（板）的数目。（2 2表示电源和地各一层，表示电源和地各一层，3 3表示两层地和一层电源，表示两层地和一层电源， 以此类推）以此类推）L L：电感。单位：毫亨（电感。单位：毫亨（nHnH）。）。 由式（由式（6-2-26-2-2）可知，这里没有任何对数的关系。当我们增加扁平带状线（板）的

28、宽）可知，这里没有任何对数的关系。当我们增加扁平带状线（板）的宽度和数目时，分布线上的电感就会线性减少。这种方法的缺点是电源分布线过于笨重和复度和数目时，分布线上的电感就会线性减少。这种方法的缺点是电源分布线过于笨重和复杂，从成本和物理尺寸上都可能是不可接受的杂，从成本和物理尺寸上都可能是不可接受的 （6-2-2）中国科大 快电子学 安琪17使使用用高高噪噪声声容容限限逻逻辑辑器器件件的的方方法法也也是是可可以以考考虑虑的的，但但逻逻辑辑器器件件的的选选择择涉涉及及到到许许多多因因素素，不不能能只只有有电电源源分分布布线线电电感感一一个个因因素素来来决决定定。所以，这里的选择余地并不大。所以，

29、这里的选择余地并不大。 减少供电电源上高速的电流变化。减少供电电源上高速的电流变化。最后的一个途径，即减少供电电源上高速的电流变化。注意：这最后的一个途径，即减少供电电源上高速的电流变化。注意：这里我们强调的是高速的电流变化。流过电源分布线上的平均电流是里我们强调的是高速的电流变化。流过电源分布线上的平均电流是不可能被减少的，但变化电流的幅度和变化率可以被减少。这就是不可能被减少的，但变化电流的幅度和变化率可以被减少。这就是下一节我们要重点讨论的。下一节我们要重点讨论的。使用高噪声容限的器件。使用高噪声容限的器件。中国科大 快电子学 安琪18板级电源旁路板级电源旁路 1. 电源分布线上电压噪声

30、的计算电源分布线上电压噪声的计算 首先我们来估算电路中信号的电流变化率（首先我们来估算电路中信号的电流变化率（dI/dt）。图）。图6-2-1中的门中的门A输入为一个输入为一个10MHz的的时钟信号，其输出驱动一个时钟信号，其输出驱动一个50pf的容性负载。由于电源分布线上的电感效应，电源线上每隔的容性负载。由于电源分布线上的电感效应，电源线上每隔100ns会出现一个大的电流尖脉冲。这些电流尖脉冲对应着逻辑门会出现一个大的电流尖脉冲。这些电流尖脉冲对应着逻辑门A驱动容性负载到高电平的驱动容性负载到高电平的时刻，即逻辑门时刻，即逻辑门A的输出从低到高的跳变期间。图中虚线回路是其此刻电流的通道。的

31、输出从低到高的跳变期间。图中虚线回路是其此刻电流的通道。 图图6-2-1 电源分布线上的电感电源分布线上的电感 中国科大 快电子学 安琪19电源分布线上电感电源分布线上电感 设门设门A的输出信号的上升时间为的输出信号的上升时间为5ns，则我们可以由式（则我们可以由式（6-2-3）来计算此时驱动电）来计算此时驱动电流的最大变化率。流的最大变化率。这里：这里： X = 10in，H = 0.1in，D = 0.04in。（6-2-3）这里：这里： V= 5V，逻辑门逻辑门A输出信号的摆幅。输出信号的摆幅。 tr = 5ns，逻辑门逻辑门A输出信号的上升时间。输出信号的上升时间。 C = 50pf，

32、逻辑门逻辑门A的容性负载。的容性负载。然后，我们可以计算电源线上的电感。由式（然后，我们可以计算电源线上的电感。由式（6-2-1），我们可以得到：），我们可以得到：（6-2-4）中国科大 快电子学 安琪20电源分布线上的电压噪声电源分布线上的电压噪声电感上电压可以很容易由式（电感上电压可以很容易由式（6-2-5）算出。）算出。（6-2-5） 这是一个很出人意料的结果。事情是否真有这么糟糕吗？事实上，比这还糟。由这是一个很出人意料的结果。事情是否真有这么糟糕吗？事实上，比这还糟。由于电源分布线上过大的电感，电流突变时，电感上的电压很大，使得板上电源电压瞬于电源分布线上过大的电感，电流突变时，电感

33、上的电压很大，使得板上电源电压瞬间降的很小，然后缓慢回升。造成逻辑门间降的很小，然后缓慢回升。造成逻辑门A无法工作。无法工作。中国科大 快电子学 安琪212. 减少电源上高速电流变化减少电源上高速电流变化的基本思路的基本思路减减少少供供电电电电源源上上高高速速电电流流变变化化的的基基本本思思路路是是：将将一一个个大大的的电电容容放放在在电电路路板板的的电电源源输输入入端端，与与电电源源设设备备并并联联，跨跨接接在在电电源源电电压压和和地地之之间间。电电源源接接通通以以后后，电电源源设设备备就就会会对对它它充充电电，使使旁旁路路电电容容上上充充满满了了电电荷荷。当当需需要要高高速速切切换换的的电

34、电流流输输入入、出出时时，由由于于电电源源分分布布线线上上存存在在的的电电感感呈呈现现出出一一个个较较大大的的阻阻抗抗，不不能能满满足足前前述述的的基基本本设设计计原原则则3 3。这这时时，并并接接的的电电容容为为电电源源和和地地之之间间提提供供了了一一个个低低阻阻抗抗的的通通道道，其其储储存存的的大大量量电电荷荷，可可以以迅迅速速地地提提供供电电路路系系统统所所需需要要的的高速切换电流，保证电路系统的供电需求。高速切换电流，保证电路系统的供电需求。 通常，称并联的电容为旁路电容（通常，称并联的电容为旁路电容（Bypass CapacitorBypass Capacitor）直流电源直流电源电

35、路系统电路系统+中国科大 快电子学 安琪22旁路电容的作用旁路电容的作用 如如图图6-2-2所所示示，当当一一个个旁旁路路电电容容被被放放在在电电路路板板的的电电源源输输入入端端，与与电电源源设设备备并并联联时时，由由于于旁旁路路电电容容C2的的阻阻抗抗大大大大小小于于分分布布线线上上的的感感抗抗，突突变变的的电电流流从从旁旁路路电电容容C2流流通通，不不再再流过电源分布线，因而电源分布线上的电感上没有电压产生。流过电源分布线，因而电源分布线上的电感上没有电压产生。 旁旁路路电电容容C2减减少少了了电电源源分分布布线线上上电电流流的的变变化化，将将电电源源分分布布线线上上的的供供电电电电流流平

36、平滑滑为为一一个个连连续续的的平平均均电电流流。在在低低频频情情况况下下，电电源源设设备备的的输输出出阻阻抗抗和和电电源源分分布布线线的的直直流流电电阻阻很很低低，可可以以为为电电路路系系统统的的电电源源和和地地之之间间提提供供低低阻阻抗抗通通道道；而而在在高高频频情情况况下下，则则由由电电路路板板上上的的旁旁路路电电容容C2来提供低阻抗通道。来提供低阻抗通道。图图6-2-2 旁路电容平滑了电源分布线上供电电流旁路电容平滑了电源分布线上供电电流 中国科大 快电子学 安琪23电源旁路与电源滤波电源旁路与电源滤波 电源旁路电源旁路 可可以以认认为为，在在高高速速电电流流切切换换时时，并并联联的的旁

37、旁路路电电容容的的低低阻阻抗抗短短接接了了高高阻阻抗抗的的电电源源设设备备通通道道（电电源源设设备备 + + 电电源源分分布布线线），为为电电路路系系统统提提供供所所需需要要的的快快速速变变化化的的电电流流。电电源源设设备备维维持持着着稳稳定定状状态态和和慢慢速速变变化化所所需需要要的的电电流流，并并不不断断向向旁旁路路电电容容补补充充电电荷荷，但但然然，这这都都不不会会引引起起电电源源设设备备和和电电流流分分布布线线上上高高速速的的电电流流变变化化。旁旁路路电电容容的的设设置置减减少少了了供供电电电电源源上上的的高高速速电电流流变变化化，电电源源分分布布线线上上电电感感的的感感应应电电压压相

38、相应应就就减减少少了了，或或者者说说减减少少了了电电源源上上的的电电压压噪噪声声。所所以以，从从这这个个意意义义上上，人人们们有有时时也也把把这这种种方方法法称称为为电源滤波。但严格地讲，这应被看作为电源旁路，而不是电源滤波。电源滤波。但严格地讲，这应被看作为电源旁路，而不是电源滤波。 电源滤波电源滤波 电电源源滤滤波波指指的的是是滤滤去去电电源源设设备备的的电电压压纹纹波波以以及及防防止止系系统统中中其其他他部部分分通通过过公公用用电电源源设设备备带带来来的的干干扰扰，通通常常采采用用所所谓谓的的RCRC低低通通滤滤波波， LCLC低低通通滤滤波波或或 型型滤滤波波。在在模模拟拟电路或者混合

39、信号电路系统中尤其需要。电路或者混合信号电路系统中尤其需要。 中国科大 快电子学 安琪243. 3. 旁路电容的容值计算旁路电容的容值计算旁路电容的容值计算有以下旁路电容的容值计算有以下6个步骤：个步骤： 考虑电路系统的逻辑门翻转时要求电源提供的跳变电流大小。由于很难预测有多少考虑电路系统的逻辑门翻转时要求电源提供的跳变电流大小。由于很难预测有多少 逻辑门翻转，通常是假定最差的情况，所有的门同时在一个方向上翻转。逻辑门翻转，通常是假定最差的情况，所有的门同时在一个方向上翻转。 考虑所使用逻辑门电路所能容忍的最大电源噪声，并留有足够的噪声容限。考虑所使用逻辑门电路所能容忍的最大电源噪声，并留有足

40、够的噪声容限。 考虑所允许的最大的公共通道电阻：考虑所允许的最大的公共通道电阻：（6-2-6） 估算电源分布线上电感：估算电源分布线上电感： 中国科大 快电子学 安琪25旁路电容的容值计算步骤旁路电容的容值计算步骤 根据所允许的最大的公共通道电阻根据所允许的最大的公共通道电阻Xmax，估算电源分布线可工作在该值以内的最大频估算电源分布线可工作在该值以内的最大频 率。在这个频率下，当所有的逻辑门同时在一个方向上翻转时，由电源分布线上的电感率。在这个频率下，当所有的逻辑门同时在一个方向上翻转时，由电源分布线上的电感 引起的电源噪声将小于引起的电源噪声将小于 V。（6-2-7） 在频率在频率Fmax

41、内，电源分布线可以很好地工作，提供阻抗小于内，电源分布线可以很好地工作，提供阻抗小于Xmax的通道。在高于这个的通道。在高于这个 频率时，需要一个旁路电容来提供低阻抗通道。电容的大小要确保在这个频率以及以频率时，需要一个旁路电容来提供低阻抗通道。电容的大小要确保在这个频率以及以 上频率，电容的阻抗要小于上频率，电容的阻抗要小于Xmax。我们有：我们有：（6-2-8）中国科大 快电子学 安琪26例例6-2-16-2-1 一一个个具具有有100个个CMOS逻逻辑辑门门的的电电路路板板，其其逻逻辑辑门门输输出出电电容容负负载载为为10pf，上上升升时时间间为为ns，电源分布线的电感为电源分布线的电感

42、为100nH。求所需的旁路电容容值？求所需的旁路电容容值？解：解： 要求电源提供的跳变电流大小是用于对负载电容的充电。假定最差的情况，所有要求电源提供的跳变电流大小是用于对负载电容的充电。假定最差的情况，所有 的的100个个CMOS逻辑门同时在一个方向上翻转。则：逻辑门同时在一个方向上翻转。则：所允所允许的最大的最大电源噪声源噪声电压 V： V0.1V 所允许的最大电源所允许的最大电源- -地之间阻抗地之间阻抗X Xmaxmax 中国科大 快电子学 安琪27例例6-2-16-2-1 电源分布线的电感电源分布线的电感L LPSW PSW 100nH 估算电源分布线可正常工作的最大频率估算电源分布

43、线可正常工作的最大频率 FPSW 旁路旁路电容的容的容容值为： 对于数字电路系统的电路板来说，使用对于数字电路系统的电路板来说，使用1010 1000F1000F的旁路电容是非常普遍的。的旁路电容是非常普遍的。 中国科大 快电子学 安琪28要点：要点： 电源设备只能在低频情况下提供低阻抗输出。电电源设备只能在低频情况下提供低阻抗输出。电 源分布线上的电感带来了较大的阻抗。源分布线上的电感带来了较大的阻抗。电路板的并接旁路电容可以在较高的频率下提供电路板的并接旁路电容可以在较高的频率下提供低低 阻抗通道。阻抗通道。 中国科大 快电子学 安琪296-2-3 本地的小电容矩阵滤波 如如上上节节所所述

44、述，由由于于电电源源分分布布线线上上的的电电感感破破坏坏了了电电源源设设备备的的低低阻阻抗抗，可可以以用用一一个个并并联联的的大大的的旁旁路路电电容容来来提提供供另另一一个个低低阻阻抗抗通通道道，一一个个理理想想的的旁旁路路电电容容完完全全可可以以解解决决这这个个问问题题。问问题题是是大大的的旁旁路路电电容容体体积积较较大大，存存在在着着串串联联电电感感。当当频频率率进进一一步步增增高高时时，这这些些串串联联电电感感会会破破坏旁路电容的低阻抗特性。我们可以计算旁路电容能有效工作的最高频率：坏旁路电容的低阻抗特性。我们可以计算旁路电容能有效工作的最高频率：（6-2-9） 这里，这里，L Lc2c

45、2是旁路电容的串联电感值是旁路电容的串联电感值。 1. 1. 旁路电容的串联电感旁路电容的串联电感 我们希望旁路电容可以有效工作的最高频率我们希望旁路电容可以有效工作的最高频率F Fbypassbypass要远比要远比F FPSWPSW高。但是它仍比高速数高。但是它仍比高速数字电路的膝频率低的多。假定例字电路的膝频率低的多。假定例3-13-1中的旁路电容的串联电感值为中的旁路电容的串联电感值为5nH5nH，所允许的最大电源所允许的最大电源- -地之间阻抗仍为地之间阻抗仍为0.10.1 。则。则旁路电容可以有效工作的最高频率可以由式（旁路电容可以有效工作的最高频率可以由式（6-2-96-2-9）

46、计算：）计算： 这个电容旁路可以有效工作的频率范围为这个电容旁路可以有效工作的频率范围为159KHz159KHz 3.18MHz3.18MHz。很显然，这远远不能满很显然，这远远不能满足高速数字电路膝频率的要求。足高速数字电路膝频率的要求。 中国科大 快电子学 安琪302. 2. 分布小旁路电容阵列分布小旁路电容阵列 从从以以上上分分析析可可知知：一一个个大大的的旁旁路路电电容容只只能能允允许许电电源源系系统统工工作作在在频频率率Fbypass。为为了了保保证证在在这这个个频频率率以以上上时时的的低低阻阻抗抗通通道道，我我们们需需要要另另一一个个具具有有低低串串联联电电感感的的电电容容。这这个

47、个问问题题可可以以用用分分布布的的小小旁旁路路电电容容阵阵列列来来解解决决，小小电电容容体体积积小小，其其本本身身的的串串联联电电感感也也小小。在在更更高高的的频频率率环环境境下下，为为电电源源和和地地之之间间提提供供有有效效的的低低阻阻抗抗通通道道。因因此此，从从原原理理上上讲讲，一一个个大大的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：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。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

48、的容抗和其离散串联电感的感抗。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。 高高频时的分布小旁路的分布小旁路电容容阵列的阻抗。列的阻抗。 中国科大 快电子学 安琪313.3.分布小旁路分布小旁路电容容阵列的容列的容值计算算 4 4个个步步骤： 考虑考虑高速数字电路工作的最高频率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膝频率和在这一工作频率时所允所允许的最大的的最大的电 源源- -地之地之间阻抗，阻抗，计算所允许的小旁路电容阵列的总电感值计算所允许的小旁路电容阵列的总电感值L Ltottot 。（6-2-10） 这里：这里：XMAX 为电路系统为电路系统所允许的最大的电源所允许

49、的最大的电源- -地之间阻抗，地之间阻抗，tr r 为为逻辑电路信号的上升时间。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（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-MountedSurface-Mounted）的）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1nH1nH；一个穿一个穿 孔（孔（Through-HoleThrough-Hole）电容的串联电感值为电容的串联电感值为5nH5nH。由此我们可以计算满足所允许的总由此我们可以计算满足所允许的总 电

50、感值的小旁路电容器的数量（电感值的小旁路电容器的数量（N N）：）： （6-2-11） 这里，这里，L LC3 C3 是每一个小旁路电容的串联电感值。是每一个小旁路电容的串联电感值。 中国科大 快电子学 安琪32容容值计算算 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时的时的最大的最大的电源源- -地地 之之间阻抗，基于阻抗，基于这一点，我一点，我们可以可以计算算小旁路电容阵列的总电容值小旁路电容阵列的总电容值： （6-2-12） 这里：这里：XMAX 为电路系统为电路系统所允许的最大的电源所允许的最大的电源- -地之间阻

51、抗，地之间阻抗，Fbypass为板级旁路电容可以工作的频为板级旁路电容可以工作的频 率上限。率上限。 最后，计算小旁路电容阵列中每一个电容器的容值：最后，计算小旁路电容阵列中每一个电容器的容值： （6-2-13） 中国科大 快电子学 安琪33例例6-2-2：计算小旁路电容阵列中电容器的容值：计算小旁路电容阵列中电容器的容值 在在例例6-2-1中中，我我们们需需要要一一个个10 F的的旁旁路路电电容容做做板板级级滤滤波波。假假定定这这个个10 F的的旁旁路路电电容容的的串串联联电电感感为为5nH，所所允允许许的的最最大大电电源源- -地地之之间间阻阻抗抗仍仍为为0.10.1 。我我们们有有：X

52、XMAX MAX = = 0.10.1 ，t tr r = 5ns = 5ns，则小旁路电容阵列的总电感值则小旁路电容阵列的总电感值L Ltottot 为：为：若使用穿孔电容器，则：若使用穿孔电容器，则：所需要的小旁路电容器的数量为：所需要的小旁路电容器的数量为：由以上的例子已知：由以上的例子已知：F Fbypassbypass = 3.18MHz = 3.18MHz，所以小旁路电容阵列的总电容值为：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：最后，小旁路电容阵列中每一个电容器的容值为： 中国科大 快电子学 安琪34要点：要点：小旁路电容阵列提供的低阻抗通道可以

53、一直工作小旁路电容阵列提供的低阻抗通道可以一直工作到膝频率。到膝频率。在可能的条件下，在芯片的所有电源与地管脚之在可能的条件下，在芯片的所有电源与地管脚之间跨接间跨接00.10.1 F的小电容。的小电容。在可能的条件下，尽可能地使用表面贴装的电容在可能的条件下，尽可能地使用表面贴装的电容器，减少电容器的离散串联电感。器，减少电容器的离散串联电感。中国科大 快电子学 安琪356-2-4 6-2-4 平行板电容器平行板电容器如如前前所所述述，当当采采用用两两层层PCB覆覆铜铜分分别别作作为为电电源源层层和和地地平平面面层层时时，这这种种设设计计保保证证了了电电源源和和地地之之间间在在高高频频应应用

54、用时时几几乎乎完完美美的的低低阻阻抗抗连连接接。当当两两层层PCB敷敷铜铜相相互互靠靠得得很很近近时时，它们之间存在着大量的平行板电容，提供了第三级的旁路电容。它们之间存在着大量的平行板电容，提供了第三级的旁路电容。电电源源层层和和地地平平面面层层之之间间的的平平行行板板电电容容没没有有引引线线电电感感和和等等效效串串联联电电阻阻（EquivalentSeriesResistance，缩缩写写为为：ESR），在在很很高高的的工工作作频频率率情情况况下下可可以以提提供供低低阻阻抗抗通通道道。电源层和地平面层之间的平行板电容的容值可以由式（电源层和地平面层之间的平行板电容的容值可以由式（6-2-1

55、4）计算：）计算：（6-2-14）这里：这里： r：PCB板材料的相对介质常数，普通的板材料的相对介质常数，普通的FR-4环氧树脂材料为环氧树脂材料为4.5。A：PCB板的板面积，单位为平方英寸。板的板面积，单位为平方英寸。D：电源层和地平面层之间的板间距，单位为英寸（电源层和地平面层之间的板间距，单位为英寸（in）。）。 若若电电源源层层和和地地平平面面层层之之间间的的板板间间距距为为0.01in0.01in，采采用用普普通通的的FR-4FR-4环环氧氧树树脂脂材材料料，则则每平方英寸电源层和地平面层之间的平行板电容的容值为每平方英寸电源层和地平面层之间的平行板电容的容值为100pf100pf。中国科大 快电子学 安琪36旁路电容的阻抗曲线 图6-2-3给出了电源系统中各种元件的阻抗随频率的变化曲线。注意：曲线中也包括了离散的串联电阻的效应，即所谓的ESR效应。图6-2-3 旁路电容的阻抗中国科大 快电子学 安琪37