【導(dǎo)讀】因?yàn)殡娮釉O(shè)備內(nèi)的電源和接地為很多電路所共用，所以它們可能成為噪聲傳出或者進(jìn)入的便捷通道，如圖1所示。為防止噪聲傳導(dǎo)，可如圖2(a)所示插入一個(gè)電源濾波器。濾波器的效用可按照除電源外其他情形的同樣方式以插損或S參數(shù)來表示。
同時(shí)，電源為負(fù)載電路提供電流。如圖2(b)所示連接一個(gè)數(shù)字IC，數(shù)字IC會(huì)通過其運(yùn)行改變電源電流，使電源感應(yīng)到噪聲，進(jìn)而可能干擾電路本身的運(yùn)行。下文中將這一現(xiàn)象稱為電源電壓的波動(dòng)。電源濾波器也需要具有抑制電源電壓波動(dòng)的作用。
一般而言，濾波器防止噪聲傳導(dǎo)的效果與抑制電源電壓波動(dòng)的效果并不不同。其抑制電源電壓波動(dòng)的效果通過源阻抗來表示。當(dāng)電源電壓的波動(dòng)傳到外部時(shí)，噪聲將會(huì)如圖2(a)所示被傳出。盡管這兩種噪聲看似不同，但它們卻相互關(guān)聯(lián)。
本章節(jié)主要針對(duì)數(shù)字電路，介紹電源電壓波動(dòng)和源阻抗。
圖1 噪聲經(jīng)過電源線的出入口
圖2 電源噪聲抑制的兩種視角
電源電壓波動(dòng)
(1) 數(shù)字電路的運(yùn)行與源阻抗
如第2章的章節(jié)2-3所述，在電路運(yùn)行中，數(shù)字電路的電源和接地中會(huì)產(chǎn)生長釘形的電流。這種電流將噪聲感應(yīng)到電源，使電源電壓發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)致電路無法穩(wěn)定運(yùn)行。它也會(huì)更容易引起信號(hào)波形和產(chǎn)生噪聲方面的問題。
防止電源電壓波動(dòng)的功能通過源阻抗[參考文獻(xiàn) 5]來表示。源阻抗是電源品質(zhì)的一個(gè)指標(biāo)，表示為圖2(b)中連接數(shù)字IC（負(fù)載）的位置處（電源端子等）電源側(cè)的阻抗。[page]
(2) 電源電壓波動(dòng)的影響
圖3中的示意圖解釋了當(dāng)噪聲被感應(yīng)到數(shù)字IC電源時(shí)整個(gè)設(shè)備的噪聲產(chǎn)生的影響。IC電源電壓波形如圖中間所示。根據(jù)長釘形的波形，可以發(fā)現(xiàn) 這是數(shù)字電路運(yùn)行中感應(yīng)的噪聲。在此，長釘形的波形被稱為電源電壓的波動(dòng)。這種效應(yīng)會(huì)干擾電路的穩(wěn)定運(yùn)行和增速，或?qū)⒃肼晹U(kuò)散至電源線或信號(hào)線，或使信號(hào) 波形失真，如圖中(1)到(4)所示。如果擴(kuò)散至電源線的噪聲由電纜發(fā)射，則會(huì)成為關(guān)乎噪聲規(guī)定的問題。
圖3 電源電壓波動(dòng)的影響
(3) 電源噪聲的頻譜
電源電壓的波動(dòng)源自在數(shù)字信號(hào)上升和下降瞬間流經(jīng)的電流。因此，如果噪聲源的電路很簡單，電源電壓波動(dòng)相關(guān)的噪聲也具有像信號(hào)諧波一樣的離散分布頻 譜。圖4給出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)的示例，其中以20MHz運(yùn)行的數(shù)字IC的電源發(fā)射噪聲。電源電壓每隔50ns(20MHz)呈現(xiàn)出長釘形，而且可以發(fā)現(xiàn) 當(dāng)噪聲發(fā)射時(shí)，每隔20MHz就可以觀察到噪聲頻譜。
圖4 觀察數(shù)字IC電源噪聲的實(shí)驗(yàn)
(4) 源阻抗的頻率特征
為減少電源電壓波動(dòng)，要降低源阻抗。因?yàn)楦鶕?jù)歐姆定律阻抗與電壓存在比例關(guān)系，如果流經(jīng)數(shù)字IC的電流恒定，電壓波動(dòng)就會(huì)減少，因?yàn)樵醋杩挂步档土恕?br /> 圖5給出了源阻抗測量結(jié)果的一個(gè)示例。一般而言，電源具有較小的源阻抗更好，這樣能提供較高的電源性能和出色的降噪能力。
圖5 源阻抗測量結(jié)果的示例
(5) 源阻抗測量
因?yàn)樵醋杩狗浅Ｐ?，所以很難進(jìn)行測量。圖5顯示了通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的結(jié)果。由于測量值隨測量探針的位置而改變，因此需要在既定的位置仔細(xì) 進(jìn)行測量。通常是在IC（負(fù)載）的電源端子和接地端子之間測量。為消除IC的影響并提高測量精確性，需要暫時(shí)將IC從PCB移開，然后測量PCB側(cè)的阻 抗。[page]
去耦電容器
如果電源電路基于負(fù)載的電流恰當(dāng)運(yùn)行，源阻抗的理想值應(yīng)該為零。但是，在現(xiàn)實(shí)生活中，在10MHz以上的高頻范圍內(nèi)阻抗會(huì)逐漸增加（如圖5所示），而且在某些情況下，它還會(huì)高達(dá)幾10Ω。
(1) 去耦電容器
如圖6(a)所示，由于連接電源和負(fù)載的線路具有電感和電阻，即使電源在理想情況下運(yùn)行（0Ω），負(fù)載側(cè)還是會(huì)產(chǎn)生一些阻抗。特別是在高頻范圍內(nèi)，線路中的電感是使阻抗升高的主要原因。
為降低高頻范圍內(nèi)的源阻抗，如圖6(b)所示在電源和地線之間靠近負(fù)載的地方連接一個(gè)電容器。這個(gè)電容器稱為去耦電容器、電源旁通電容器或者旁通電容器等。
圖6 去耦電容器的運(yùn)行
(2) 電源電壓波動(dòng)的吸收
去耦電容器作為臨時(shí)儲(chǔ)電器吸收負(fù)載電流的改變，防止電源電壓的波動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生。因?yàn)槠浞胖迷谪?fù)載附近，線路阻抗造成的影響會(huì)減少。從阻抗的角度而言，這種運(yùn)行方式意味著源阻抗降低了。
但是，即使使用了去耦電容器，還是存在一段導(dǎo)線（如圖6(b)所示），并產(chǎn)生電感。因此，布置電容器時(shí)，應(yīng)使這部分越短越好。
(3) 噪聲限制效果
從噪聲抑制的角度來看，可以認(rèn)為去耦電容器限制了負(fù)載和去耦電容器之間線路部分負(fù)載側(cè)電源產(chǎn)生的高頻電流，從而防止了噪聲傳到電源線更遠(yuǎn)的地方。因 此，去耦電容器不僅是穩(wěn)定電路操作而且也是防止噪聲產(chǎn)生的重要元件。為了更有效地防止噪聲傳導(dǎo)，可如圖2(a)所示增加一個(gè)鐵氧體磁珠，或者也可 使用具有出色靜噪性能的電容器，如三端子電容器。
(4) 證實(shí)去耦電容器的效用
圖7顯示了針對(duì)圖4中的測試電路使用去耦電容器時(shí)電源電壓波動(dòng)發(fā)生的變化。通過連接電容器，電壓波動(dòng)幅度從0.48V降至0.10V，同時(shí)噪聲發(fā)射降低了10dB。
圖8指出了使用更高性能的三端子電容器的情形。對(duì)比使用普通MLCC的情形，電源電壓的波動(dòng)幅度有所降低，同時(shí)也顯著抑制了噪聲發(fā)射。這是因?yàn)槿俗与娙萜骶哂袑榻翟朐O(shè)計(jì)的有利結(jié)構(gòu)。三端子電容器將在第6章中進(jìn)一步講述。
圖7 通過去耦電容器抑制電源電壓波動(dòng)
圖8 當(dāng)三端子電容器用作去耦電容器時(shí)
[page]環(huán)路阻抗
(1) 源阻抗的頻率范圍
圖5中所示的源阻抗實(shí)際上給出了一個(gè)例子，其通過使用多個(gè)去耦電容器實(shí)現(xiàn)了極低的阻抗。這些頻率特征可以分為如圖9所示的三個(gè)區(qū)域。
(2) 什么控制著低頻范圍？
①的低于1MHz較為平緩部分可觀察到的電源模塊輸出阻抗。如果不使用去耦電容器，阻抗會(huì)從圖中虛線所指示的較低頻率處開始增加。這是因?yàn)殡娫茨K的輸出特征和線路中電感的作用。
如果使用去耦電容器，可抑制高頻范圍的阻抗。
(3) 什么控制著高頻范圍？
圖9中(2)和(3)指示的是相對(duì)較高的頻率范圍，在其中可觀察到去耦電容器的阻抗。(2)是電容器存在電容阻抗的頻率范圍，可通過將靜電 容量的大小進(jìn)行一定程度地控制。(3)是電容器存在電感阻抗的頻率范圍。為進(jìn)一步降低此區(qū)域的阻抗，需要降低去耦電容器的ESL，或者降低連接至電容器線 路的電感。
圖9 源阻抗的頻率特征及發(fā)揮作用的元件
(4) 環(huán)路阻抗
線路電感由負(fù)載IC和去耦電容器之間連接的模式和通孔構(gòu)成，如圖10中所示。將經(jīng)過這些元件的整個(gè)電流環(huán)路之和與電容器的ESL相加，可得出總電感。圖11為等效電路。
去耦電容器所建立電流環(huán)路的阻抗可以稱為環(huán)路阻抗。圖9所示區(qū)域(3)的環(huán)路阻抗是主要來自線路和電容器本身的電感所致。
為降低高頻范圍內(nèi)的環(huán)路阻抗，需要降低電感。也就是說，當(dāng)環(huán)路阻抗的目標(biāo)值為ZTarget (Ω)，頻率為ƒ(Hz)，總阻抗為LLoop (H)，可得出如下公式:
(公式1)
例如，如果需要將100MHz處的環(huán)路阻抗降低到1Ω或更少，總阻抗需要約為1.6nH或以下。這是一個(gè)極低的值。
(5) 環(huán)路阻抗的要素
因?yàn)閷?shí)際電路可能存在導(dǎo)線分支的情況或者有多個(gè)電容器，所以不能像圖10和圖11那樣簡單地思考問題。但是，這個(gè)模型是有用的，可以作為將環(huán)路阻抗分解為各個(gè)要素的理念。為有效地盡量降低環(huán)路阻抗，需要降低在總阻抗中占很大一部分的電感。
圖10 環(huán)路阻抗的要素
圖11 去耦電路的等效電路
[page]如何盡量降低環(huán)路阻抗
為盡量降低高頻范圍內(nèi)的環(huán)路阻抗，需要降低電容器的ESL和線路的電感。如果能夠進(jìn)行巧妙地設(shè)計(jì)，可以將雙層基板的總電感降低至約幾nH，多層基板則可降低至1nH或以下。在圖9的示例中，其值約為0.3nH。
(1) 使用低ESL電容器
每個(gè)電容器（如果是MLCC）的ESL約為0.5nH，在總電感中占很大一部分。為降低此值，可使用低ESL電容器。
(2) 降低線路電感
要降低線路和通孔中的電感，線路和通孔應(yīng)該要“粗且短”。例如，在布置電容器和通孔時(shí)，應(yīng)減少圖10中所示電流環(huán)路的面積。此外，布局模式應(yīng)該盡可能地寬。將電容器放置在（基板另一側(cè)）IC的正下方，并使基板變薄，通常能夠讓電流環(huán)路變小。
(3) 電容器和通孔的并聯(lián)
當(dāng)并聯(lián)使用眾通孔通路和電容器時(shí)，可降低阻抗。
因?yàn)榫€路和通孔的電感非常小，而且還涉及互感，所以很難得到一個(gè)簡單的判斷。為此，可使用電磁模擬裝置估計(jì)這樣的環(huán)路阻抗。圖12給出了電感的一 般范圍供您參考。但是，根據(jù)線路的不同形狀，電感可能相差好幾倍。此外，即使只是1mm的長度，也會(huì)造成約0.5nH的電感，這是無法忽略的。
圖12 降低環(huán)路阻抗的電容器布置
(4) 注意反諧振
如果使用了兩個(gè)或更多個(gè)電容器，需要考慮電容器之間發(fā)生的諧振。一般而言，如果并聯(lián)連接具有不同自諧振頻率的多個(gè)電容器，反諧振會(huì)導(dǎo)致具有高阻抗的頻率（將在第6章中進(jìn)行探討）。
除了線路電感之外，還需要考慮在100MHz以上的高頻范圍內(nèi)存在的靜電容量。此外，電源層的諧振和IC封裝的影響也會(huì)在高頻范圍內(nèi)變得顯著。鑒于要素如此復(fù)雜，也可使用電磁模擬裝置。
[page]源阻抗和噪聲抑制之間的不同
前已述及，使用電源濾波器的另一個(gè)重要目的在于防止噪聲進(jìn)入和傳出。通常而言，濾波器包括電容器和電感器，它們形成一個(gè)低通濾波器。圖2(b)顯示了電源用典型濾波器的結(jié)構(gòu)。（濾波器的功能和結(jié)構(gòu)將在第3章中進(jìn)一步描述。）
盡管電容器和電感器都能減少噪聲，但它們在抑制源阻抗方面以不同的方式發(fā)揮作用。圖13顯示了一個(gè)T型濾波器的情形，其中電容器用于降低阻抗，而 電感器卻用于增加阻抗。因此，在使用電容器時(shí)，如果使用的是如圖7和8所示的高性能電容器，通常能在抑制電源電壓波動(dòng)和減少發(fā)射的噪聲方 面取得更好的成效。但是，如果使用電感器，就需要注意，即使能夠減少噪聲，但卻可能加劇電源電壓的波動(dòng)。因此，如果使用電感器抑制IC電源終端的噪聲，應(yīng) 該將電感器放置在圖13(a)中的位置(b)而不是位置(a)。此外，耦合電容器靜電容易應(yīng)該要足夠大。
圖13 使用濾波器元件的作用和反作用
在噪聲路徑上采取噪聲措施
盡管使用去耦電容器降低了源阻抗從而抑制了電壓波動(dòng)，但在減少噪聲方面可能無法看到充分的實(shí)效。圖14給出了一個(gè)模擬之前測試中相關(guān)情形的示例。
圖14中指示了電容器(a)和(b)的位置（(a)與圖7中采用MLCC的一樣）。兩個(gè)IC都在距電源終端6mm的位置處布置了去耦電容器，因此可以認(rèn)為環(huán)路阻抗是相同的。電源電壓波動(dòng)也在同樣的范圍內(nèi)。但是，(b)發(fā)射的噪聲比(a)高10dB。
產(chǎn)生這種差別的原因在于(a)在能夠傳導(dǎo)噪聲的路徑上使用電容器，而(b)在（IC和會(huì)發(fā)射噪聲的天線之間的）噪聲路徑之外使用電容器。因此，需要沿著噪聲路徑連接濾波器，以便消除噪聲。[page]
圖14 在不同位置連接電容器產(chǎn)生的噪聲抑制效果的差別
噪聲路徑未知時(shí)怎么辦
圖14中的測試說明，如果提前知道噪聲路徑在哪里，就可以很輕松地將電容器連接在位置(a)。但是，噪聲路徑通常是未知的。在某些情況下，線路的兩個(gè)部分都存在噪聲路徑，如圖15(a)所示。這時(shí)，哪里才是放置電容器的最佳位置呢？
在這種情況下，可如圖15(b)所示將電容器放置在線路的兩側(cè)以限制噪聲。盡管這種方法需要更多的電容器，但由于電容器是并聯(lián)連接在線路左側(cè)和右側(cè)，可以減少噪聲干擾的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也可降低環(huán)路阻抗。
或者，可如圖15(c)所示通過電容器再連接電源線。這種方法可以加強(qiáng)源阻抗和降噪效果，但不足以完全消除噪聲。
效果最好的方法是通過一個(gè)低ESL電容器（如三端子電容器）連接電源線，如圖15(d)所示。這樣可以獲得源阻抗和噪聲均減少的出色效果。
圖15 噪聲傳到兩側(cè)時(shí)的電容器布置
如果針對(duì)多層電路板使用電源層，由于其線路電感小，因此有利于抑制源阻抗。但是，直接連接電源終端和電源層會(huì)導(dǎo)致難以縮小噪聲傳播路徑的寬度，從而 不利于防止噪聲傳出。圖15(c)和圖15(d)所示的通過電容器連接噪聲源電源（電源層）的方法也適用于多層線路板，能夠改善噪聲抑制 效果。
