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二.电源与地系统,电源和地系统设计的基本原则 电源电压的分布,电源和地系统的基本设计原则,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。,基本设计原则1,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（用N表示），对于门C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N，原参考电压R变成了N+R。或者说：差分放大器的参考电压R不变，噪声电压N直接加在输入信号上了。不管从那个角度看这个问题，结论是一样的。这个噪声电压降低了门C的噪声容限（Noise Marge）。,公共通道噪声电压,噪声电压N基本上是与高速信号的回流电流相关。只要逻辑门A输出一个信号到逻辑门C，到达逻辑门C的信号电流必然要通过某个路径返回到逻辑门A，一般来说是通过地线系统返回。若地线系统存在着电感，则高速信号就会在电感上产生感应信号，即：噪声。不仅是逻辑门A和C，其他任何逻辑产生的回流电流，若回流通道与逻辑门A和C的地线重合，也会对它们产生影响。这个噪声被称为“公共通道噪声电压”（Common-Path Noise Voltage）。如图6-1-2所示。,图6-1-2 公共通道噪声电压,基本设计原则1,公共通道噪声电压的大小由返回信号电流和地线阻抗的乘积决定。所以电源和地系统设计的基本原则1可以表述为：为了减少公共通道噪声电压，应当在任何逻辑门电路的接地点之间保持低阻抗连接。,基本设计原则2,公共通道噪声的产生是与互感耦合相关的，实现低阻抗接地的一个很有效的方法是在印刷电路板设计中采用地平面板。但是，单独的低电感地平面板并不能完全解决公共通道噪声的问题。像图6-1-3中的电路，即使各个逻辑门之间是完美的低阻抗连接，在电源线上的公共通道电感仍然会引起麻烦。逻辑门的高电平与其相连的电源电压相关，电源电压的任何变化，都会直接影响到逻辑门的输出电压。因此，任何逻辑门电路的电源连接点之间也必须是低阻抗连接，同逻辑门电路接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。,图6-1-3 电源线上的公共通道噪声,基本设计原则3,在图6-1-3，信号回流电流要经过供电电池。很显然，为了保持稳定的输出信号的电平，电池的内阻必须非常低，同电源的连接，地连接一样。如图6-1-3所示：电源与地之间的唯一通道是经过电池。在实际的系统中，电源与地之间也还可以有其它的低阻抗通道。电源与地之间必须有一些低阻抗的通道。这是高速系统中电源和地系统设计的第三个原则。,图6-1-3 电源线上的公共通道噪声,满足以上三个基本设计原则的电源和地的系统，其公共通道噪声将很低，同时，它也将一个同一的电源电压分布到系统的各个部分。稳定的电压参考电平，低公共通道噪声和在系统的所有部分分布着一个同一的电源电压。三者是紧密相关的，若采用某技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。,例1：双层PCB板的电源与地系统,图6-1-5的双层PCB板的电源与地系统克服了图2-4单层PCB板的电源与地系统的缺陷，给出一个更好的电源和地的设计。该系统使用了两层PCB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PCB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。,系统有一个低阻抗的地平面板连接着各个器件的接地点，该地平面板为所有的回流电流提供了低电感通道。符合基本设计原则1。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，提供了低噪声公共通道。符合基本设计原则2。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。,图6-1-5 双层PCB板的电源与地系统,双层PCB板电源与地系统的局限,但然，实际的电路系统中，两层PCB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PCB设计时，连线必须在其它PCB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。多层PCB板系统 电源层+地平面层+信号布线层 其它因素 即使采用多层PCB板系统，使用其它PCB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，,例2：差分传输电路,图6-1-6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，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N，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，它们相当于共模信号，在差分输入级被直接相减了。,所以说，差分信号传输电路是解决公共通道噪声电压的很好的方法。,图6-1-6 差分信号传输电路,要点,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。,电源电压的分布,6-2-1 电源分布线 一般而言，良好的电源设备都具有非常小的输出阻抗（内阻）。当我们直接从它的输出端子测量时，电源设备是满足上述的基本设计原则3的。如果电路系统是直接安装在电源设备的输出端子上时，电路系统就可以从一个低阻抗电源设备获取它所需要的电源电压和电流。事实上，将电路系统是直接安装在电源设备的输出端子上是不现实的。电路系统和供电电源总是通过导线，电缆，或者是PCB连线相连。我们称它们为电源的分布线。这些连接，其直流电阻可以是很小的，但对于高速数字系统而言，高、低电平的频繁切换，需要从电源设备中频繁地流出和灌入电流，而且切换速度很快。这时，这些导线，电缆，或者是PCB连线上存在的相对大的电感，就会呈现出一个较大的阻抗。从电路板一侧来看，电源设备就不再是一个低阻抗输出的电源设备。基本设计原则3自然也就不可能满足了。高速的切换电流会在电感上产生感应电压，随着电流的大小和方向变化，感应电压就等同于一个电压噪声。这是我们所不希望的。,电源电压的分布,直流电源,电路系统,+,VXI机箱（C Size）,标准VXI机箱背板长度为25英寸，电源线是相当长的。,1电源分布线的电阻,足够小的电源线电阻 一般而言，铜导体的直流电阻是很小的，只要使用合适直径的导线或相应的铜导体，直流电阻不应造成电源电压的损失。但如果需要的供电电流较大时，太细的导线会导致过多的电压降。这时只要简单地增加导线的直径即可。直流电阻的大小与直径的平方成反比例。当直径减少40%时，其电阻可减少一半。因此，从连线电阻角度上出发，电源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 一些新型的电源设备配备一根远端电压感应线。使用它可以测量电源分布线远端的电压值，根据其数值大小，电源设备可以调整其输出电压，使其远端的供电电压满足电路系统的需求。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。,2电源分布线的电感,电源分布线的电感引起的麻烦要比直流电阻大的多。如前所述，迅速变化的电流导致了电源噪声。从电路系统一侧来看，相当于电源电压有一个变化，而且是随机的变化。不幸的是，上述的电压感应线技术对此是无能为力的。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：使用低电感导线。使用高噪声容限的器件。减少供电电源上高速的电流变化。,使用低电感导线,我们首先考虑第一种可能的途径。因为导线的电感与线直径的对数相关，因此，简单的用增加线直径来减少线电感的方法是不可取的。式6-2-1给出了两条平行的电源分布线（电源线和地线）上的电感的计算公式：,其中：X：线长度。单位：英寸（in）。H：两线之间的平均距离。单位：英寸（in）。D：线直径。单位：英寸（in）。L：电感。单位：毫亨（nH）。由式（6-2-1）可看出，即使我们将线的直径增加到一个可笑的地步，依然会有较大的电感存在。,（6-2-1）,使用扁平带状线结构的导体,较宽的扁平带状线结构的导体要比圆导线好的多，尤其是当一个多层的扁平带状线结构的导体被应用到电源设备和电路系统的连接时。在这种结构里，电源和地分别由不同的多层扁平带状线（板）组成，叠放在一起。这样一个结构的电感可以用式（6-2-2）来计算。,其中：X：扁平带状线（板）长度。单位：英寸（in）。H：扁平带状线（板）之间的距离。单位：英寸（in）。W：扁平带状线（板）的宽度。单位：英寸（in）。N：扁平带状线（板）的数目。（2表示电源和地各一层，3表示两层地和一层电源，以此类推）L：电感。单位：毫亨（nH）。由式（6-2-2）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杂，从成本和物理尺寸上都可能是不可接受的,（6-2-2）,使用高噪声容限逻辑器件的方法也是可以考虑的，但逻辑器件的选择涉及到许多因素，不能只有电源分布线电感一个因素来决定。所以，这里的选择余地并不大。,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。这就是下一节我们要重点讨论的。,使用高噪声容限的器件。,板级电源旁路,1.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（dI/dt）。图6-2-1中的门A输入为一个10MHz的时钟信号，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A驱动容性负载到高电平的时刻，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。,图6-2-1 电源分布线上的电感,电源分布线上电感,设门A的输出信号的上升时间为5ns，则我们可以由式（6-2-3）来计算此时驱动电流的最大变化率。,这里：X=10in，H=0.1in，D=0.04in。,（6-2-3）,这里：V=5V，逻辑门A输出信号的摆幅。tr=5ns，逻辑门A输出信号的上升时间。C=50pf，逻辑门A的容性负载。,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：,（6-2-4）,电源分布线上的电压噪声,电感上电压可以很容易由式（6-2-5）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间降的很小，然后缓慢回升。造成逻辑门A无法工作。,2.减少电源上高速电流变化的基本思路,减少供电电源上高速电流变化的基本思路是：将一个大的电容放在电路板的电源输入端，与电源设备并联，跨接在电源电压和地之间。电源接通以后，电源设备就会对它充电，使旁路电容上充满了电荷。当需要高速切换的电流输入、出时，由于电源分布线上存在的电感呈现出一个较大的阻抗，不能满足前述的基本设计原则3。这时，并接的电容为电源和地之间提供了一个低阻抗的通道，其储存的大量电荷，可以迅速地提供电路系统所需要的高速切换电流，保证电路系统的供电需求。通常，称并联的电容为旁路电容（Bypass Capacitor）,直流电源,电路系统,+,旁路电容的作用,如图6-2-2所示，当一个旁路电容被放在电路板的电源输入端，与电源设备并联时，由于旁路电容C2的阻抗大大小于分布线上的感抗，突变的电流从旁路电容C2流通，不再流过电源分布线，因而电源分布线上的电感上没有电压产生。旁路电容C2减少了电源分布线上电流的变化，将电源分布线上的供电电流平滑为一个连续的平均电流。在低频情况下，电源设备的输出阻抗和电源分布线的直流电阻很低，可以为电路系统的电源和地之间提供低阻抗通道；而在高频情况下，则由电路板上的旁路电容C2来提供低阻抗通道。,图6-2-2 旁路电容平滑了电源分布线上供电电流,电源旁路与电源滤波,电源旁路 可以认为，在高速电流切换时，并联的旁路电容的低阻抗短接了高阻抗的电源设备通道（电源设备+电源分布线），为电路系统提供所需要的快速变化的电流。电源设备维持着稳定状态和慢速变化所需要的电流，并不断向旁路电容补充电荷，但然，这都不会引起电源设备和电流分布线上高速的电流变化。旁路电容的设置减少了供电电源上的高速电流变化，电源分布线上电感的感应电压相应就减少了，或者说减少了电源上的电压噪声。所以，从这个意义上，人们有时也把这种方法称为电源滤波。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 电源滤波指的是滤去电源设备的电压纹波以及防止系统中其他部分通过公用电源设备带来的干扰，通常采用所谓的RC低通滤波，LC低通滤波或型滤波。在模拟电路或者混合信号电路系统中尤其需要。,3.旁路电容的容值计算,旁路电容的容值计算有以下6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 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：,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Xmax，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 引起的电源噪声将小于V。,（6-2-7）,在频率Fmax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 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Xmax。我们有：,（6-2-8）,例6-2-1,一个具有100个CMOS逻辑门的电路板，其逻辑门输出电容负载为10pf，上升时间为ns，电源分布线的电感为100nH。求所需的旁路电容容值？,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 的100个CMOS逻辑门同时在一个方向上翻转。则：,所允许的最大电源噪声电压V：V 0.1V,所允许的最大电源-地之间阻抗Xmax,例6-2-1,电源分布线的电感LPSW 100nH,估算电源分布线可正常工作的最大频率 FPSW,旁路电容的容值为：,对于数字电路系统的电路板来说，使用101000F的旁路电容是非常普遍的。,要点：,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。电路板的并接旁路电容可以在较高的频率下提供低 阻抗通道。,6-2-3 本地的小电容矩阵滤波,如上节所述，由于电源分布线上的电感破坏了电源设备的低阻抗，可以用一个并联的大的旁路电容来提供另一个低阻抗通道，一个理想的旁路电容完全可以解决这个问题。问题是大的旁路电容体积较大，存在着串联电感。当频率进一步增高时，这些串联电感会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：,（6-2-9）,这里，Lc2是旁路电容的串联电感值。,1.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Fbypass要远比FPSW高。但是它仍比高速数字电路的膝频率低的多。假定例3-1中的旁路电容的串联电感值为5nH，所允许的最大电源-地之间阻抗仍为0.1。则旁路电容可以有效工作的最高频率可以由式（6-2-9）计算：,这个电容旁路可以有效工作的频率范围为159KHz3.18MHz。很显然，这远远不能满足高速数字电路膝频率的要求。,2.分布小旁路电容阵列,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。,3.分布小旁路电容阵列的容值计算,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。,容值计算,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）,例6-2-2：计算小旁路电容阵列中电容器的容值,在例6-2-1中，我们需要一个10F的旁路电容做板级滤波。假定这个10F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：,要点：,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。在可能的条件下，在芯片的所有电源与地管脚之 间跨接00.10.1F的小电容。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。,6-2-4 平行板电容器,如前所述，当采用两层PCB覆铜分别作为电源层和地平面层时，这种设计保证了电源和地之间在高频应用时几乎完美的低阻抗连接。当两层PCB敷铜相互靠得很近时，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。电源层和地平面层之间的平行板电容没有引线电感和等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，缩写为：ESR），在很高的工作频率情况下可以提供低阻抗通道。电源层和地平面层之间的平行板电容的容值可以由式（6-2-14）计算：,（6-2-14）,这里：r：PCB板材料的相对介质常数，普通的FR-4环氧树脂材料为4.5。A：PCB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（in）。,若电源层和地平面层之间的板间距为0.01in，采用普通的FR-4环氧树脂材料，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100pf。,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,
