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模拟信号带宽及其与电源完整性的关系


随着越来越多的设备以更快的边沿速率和更高的频率运行,不能认为电源完整性与信号完整性是分开的。在任何数字PCB设计中,都需要精心设计PDN,以提供稳定的电源和低瞬态振铃。数字系统所需的步骤与模拟系统中使用的步骤相同,但由于这些板卡中的模拟信号带宽非常窄,因此在模拟系统中也存在一些例外。

数字设计人员和模拟设计人员倾向于对信号行为的看法大相径庭。数字设计人员倾向于担心时域中的瞬态振铃之类的事情,因为这是为了确保(例如)馈入传输线的+5 V信号在接收器处被读取为+5 V信号。模拟设计人员需要担心在模拟信号带宽内会发生什么在其他频率下发生的情况无关紧要。让我们看看如何在模拟信号带宽的背景下解释PDN阻抗频谱,以及如何设计模拟PDN以实现电源完整性。

模拟电源完整性设计

就像数字PDN设计一样,模拟PDN需要向下游的模拟IC提供稳定的电源。功率变化会在敏感的模拟和数字电路的输出中产生抖动(即,相位噪声)。这种形式的噪声会导致数字信号出现不可接受的偏斜,或者无法在模拟信号中得到适当补偿的不可接受的相位差。在这两种情况下,在下游组件处看到的噪声电平都无法始终得到补偿或抑制。

同样,当组件从电源汲取电流时,两种类型的PDN都会经历强烈的瞬变。如果PDN中的去耦不足,则这些瞬变会产生强烈的电压波动,并作为相位噪声传播到输出。另外,PDN中的强瞬变会激发从板边缘发出的板腔谐振(对于内部电源平面),或者从电源轨(在表面层上)产生强辐射。解决这两种类型的噪声需要精确设计叠层几何形状,以及将PDN设计为具有低阻抗。

对于数字信号,应使用哪个PDN阻抗值?由于PDN模型中并行RLC元素的排列,PDN具有多个谐振,因此尚不清楚。数字信号的带宽可能跨越数十年,因此带宽很有可能会与PDN阻抗谱中的峰值重叠。相反,模拟信号带宽值非常窄,仅占信号载频的一小部分。您的工作是对PDN进行工程设计,以使PDN阻抗频谱在整个相关带宽内相对平坦。

比较PDN上的数字和模拟信号带宽

下图显示了一个具有复杂PDN阻抗谱的示例。

 

使用多个去耦电容器将PDN上的数字和模拟信号带宽进行比较的示例

在该图中,目标阻抗值为20毫欧。对于我们的示例数字信号,带宽与PDN中的几个谐振峰重叠。当输出这种特定类型的数字信号的数字组件切换时,它将吸收一些傅立叶频谱的瞬态电流,而该傅立叶频谱不在此带宽之内。这意味着瞬态电流中的某些频率分量会出现高阻抗,从而产生很大的电压波动。尽管所有PDN阻抗峰值均低于目标阻抗值,但信号看到的净阻抗将约为31 mOhms(信号带宽中三个共振峰的峰值阻抗之和)。这会在时域中产生较大的电压波动,超过电压纹波极限约50%。

对于上图中的模拟信号,带宽非常窄,并且不与任何PDN谐振重叠。由模拟组件在该带宽内吸收模拟信号而产生的任何瞬变都不会产生明显的纹波,并且会在电压容限范围内工作。无论您是使用数字信号还是模拟信号,PDN都可以看作是滤波器,对从电源汲取的电流信号起作用。对于模拟信号和数字信号,时域中的电压波动都可以使用傅立叶逆变换简单地计算出来:


使用多个去耦电容器将PDN上的数字和模拟信号带宽进行比较的示例

请注意,电流汲取必须建模为因果源,即,对于t <0,它必须为零。对于仅汲取单个频率成分的模拟分量,进入PDN的电流将在特定信号处的某些信号处振荡。模拟组件运行时的频率,因此阻抗函数只是一个增量函数。该傅立叶变换是微不足道的,并且减小到谐波电压波动。当我们处理直接从电源中汲取其他重复波形的模拟组件(例如锯齿波)时,现在我们可以减少到数字设计的情况,在这种情况下,必须在广泛的范围内考虑信号行为和PDN阻抗带宽。

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