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技術(shù)專題
模擬信號(hào)帶寬及其與電源完整性的關(guān)系
隨著越來越多的設(shè)備以更快的邊沿速率和更高的頻率運(yùn)行，不能認(rèn)為電源完整性與信號(hào)完整性是分開的。在任何數(shù)字PCB設(shè)計(jì)中，都需要精心設(shè)計(jì)PDN，以提供穩(wěn)定的電源和低瞬態(tài)振鈴。數(shù)字系統(tǒng)所需的步驟與模擬系統(tǒng)中使用的步驟相同，但由于這些板卡中的模擬信號(hào)帶寬非常窄，因此在模擬系統(tǒng)中也存在一些例外。
數(shù)字設(shè)計(jì)人員和模擬設(shè)計(jì)人員傾向于對(duì)信號(hào)行為的看法大相徑庭。數(shù)字設(shè)計(jì)人員傾向于擔(dān)心時(shí)域中的瞬態(tài)振鈴之類的事情，因?yàn)檫@是為了確保（例如）饋入傳輸線的+5 V信號(hào)在接收器處被讀取為+5 V信號(hào)。模擬設(shè)計(jì)人員需要擔(dān)心在模擬信號(hào)帶寬內(nèi)會(huì)發(fā)生什么—在其他頻率下發(fā)生的情況無關(guān)緊要。讓我們看看如何在模擬信號(hào)帶寬的背景下解釋PDN阻抗頻譜，以及如何設(shè)計(jì)模擬PDN以實(shí)現(xiàn)電源完整性。
模擬電源完整性設(shè)計(jì)
就像數(shù)字PDN設(shè)計(jì)一樣，模擬PDN需要向下游的模擬IC提供穩(wěn)定的電源。功率變化會(huì)在敏感的模擬和數(shù)字電路的輸出中產(chǎn)生抖動(dòng)（即，相位噪聲）。這種形式的噪聲會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)出現(xiàn)不可接受的偏斜，或者無法在模擬信號(hào)中得到適當(dāng)補(bǔ)償?shù)牟豢山邮艿南辔徊?。在這兩種情況下，在下游組件處看到的噪聲電平都無法始終得到補(bǔ)償或抑制。
同樣，當(dāng)組件從電源汲取電流時(shí)，兩種類型的PDN都會(huì)經(jīng)歷強(qiáng)烈的瞬變。如果PDN中的去耦不足，則這些瞬變會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電壓波動(dòng)，并作為相位噪聲傳播到輸出。另外，PDN中的強(qiáng)瞬變會(huì)激發(fā)從板邊緣發(fā)出的板腔諧振（對(duì)于內(nèi)部電源平面），或者從電源軌（在表面層上）產(chǎn)生強(qiáng)輻射。解決這兩種類型的噪聲需要精確設(shè)計(jì)疊層幾何形狀，以及將PDN設(shè)計(jì)為具有低阻抗。
對(duì)于數(shù)字信號(hào)，應(yīng)使用哪個(gè)PDN阻抗值？由于PDN模型中并行RLC元素的排列，PDN具有多個(gè)諧振，因此尚不清楚。數(shù)字信號(hào)的帶寬可能跨越數(shù)十年，因此帶寬很有可能會(huì)與PDN阻抗譜中的峰值重疊。相反，模擬信號(hào)帶寬值非常窄，僅占信號(hào)載頻的一小部分。您的工作是對(duì)PDN進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，以使PDN阻抗頻譜在整個(gè)相關(guān)帶寬內(nèi)相對(duì)平坦。
比較PDN上的數(shù)字和模擬信號(hào)帶寬
下圖顯示了一個(gè)具有復(fù)雜PDN阻抗譜的示例。
使用多個(gè)去耦電容器將PDN上的數(shù)字和模擬信號(hào)帶寬進(jìn)行比較的示例
在該圖中，目標(biāo)阻抗值為20毫歐。對(duì)于我們的示例數(shù)字信號(hào)，帶寬與PDN中的幾個(gè)諧振峰重疊。當(dāng)輸出這種特定類型的數(shù)字信號(hào)的數(shù)字組件切換時(shí)，它將吸收一些傅立葉頻譜的瞬態(tài)電流，而該傅立葉頻譜不在此帶寬之內(nèi)。這意味著瞬態(tài)電流中的某些頻率分量會(huì)出現(xiàn)高阻抗，從而產(chǎn)生很大的電壓波動(dòng)。盡管所有PDN阻抗峰值均低于目標(biāo)阻抗值，但信號(hào)看到的凈阻抗將約為31 mOhms（信號(hào)帶寬中三個(gè)共振峰的峰值阻抗之和）。這會(huì)在時(shí)域中產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，超過電壓紋波極限約50％。
對(duì)于上圖中的模擬信號(hào)，帶寬非常窄，并且不與任何PDN諧振重疊。由模擬組件在該帶寬內(nèi)吸收模擬信號(hào)而產(chǎn)生的任何瞬變都不會(huì)產(chǎn)生明顯的紋波，并且會(huì)在電壓容限范圍內(nèi)工作。無論您是使用數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào)，PDN都可以看作是濾波器，對(duì)從電源汲取的電流信號(hào)起作用。對(duì)于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，時(shí)域中的電壓波動(dòng)都可以使用傅立葉逆變換簡(jiǎn)單地計(jì)算出來：
使用多個(gè)去耦電容器將PDN上的數(shù)字和模擬信號(hào)帶寬進(jìn)行比較的示例
請(qǐng)注意，電流汲取必須建模為因果源，即，對(duì)于t <0，它必須為零。對(duì)于僅汲取單個(gè)頻率成分的模擬分量，進(jìn)入PDN的電流將在特定信號(hào)處的某些信號(hào)處振蕩。模擬組件運(yùn)行時(shí)的頻率，因此阻抗函數(shù)只是一個(gè)增量函數(shù)。該傅立葉變換是微不足道的，并且減小到諧波電壓波動(dòng)。當(dāng)我們處理直接從電源中汲取其他重復(fù)波形的模擬組件（例如鋸齒波）時(shí)，現(xiàn)在我們可以減少到數(shù)字設(shè)計(jì)的情況，在這種情況下，必須在廣泛的范圍內(nèi)考慮信號(hào)行為和PDN阻抗帶寬。