高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)電容選型首選法則和實(shí)例分析

1、高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)電容選型首選法則和實(shí)例分析高手和前輩們總是告訴我們這樣的經(jīng)驗(yàn)法則：“在電路板的電源接入端放置一個(gè)110uF的電容，濾除低頻噪聲；在電路板上每個(gè)器件的電源和地線(xiàn)之間放置一個(gè)0.010.1uF的電容，濾除高頻噪聲?！痹跁?shū)店里能夠得到的大多數(shù)的高速PCB設(shè)計(jì)、高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的經(jīng)典教程中也不厭其煩的引用該首選法則（老外俗稱(chēng)Rule of Thumb）。但是為什么要這樣使用呢？首先，介紹兩個(gè)常用的簡(jiǎn)單概念。什么是旁路？旁路Bypass，是指給信號(hào)中的某些有害部分提供一條低阻抗的通路。電源中高頻干擾是典型的無(wú)用成分，需要將其在進(jìn)入目標(biāo)芯片之前提前干掉，一般我們采用電容達(dá)到該目的。用于該目

2、的的電容就是所謂的旁路電容Bypass Capacitor，它利用了電容的頻率阻抗特性（理想電容的頻率特性隨頻率的升高，阻抗降低）?？梢钥闯雠月冯娙葜饕槍?duì)高頻干擾（高是相對(duì)的，一般認(rèn)為20MHz以上就是高頻干擾，20MHz以下為低頻紋波）。什么是退耦？退耦Decouple，最早用于多級(jí)電路中，為保證前后級(jí)間傳遞信號(hào)又不互相影響各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)而采取的措施。在電源中，退耦表示，當(dāng)芯片內(nèi)部進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作或輸出發(fā)生變化時(shí)，需要瞬時(shí)從電源線(xiàn)上抽取較大電流，該瞬時(shí)大電流可能導(dǎo)致電源線(xiàn)上電壓的降低，從而引起對(duì)自身和其他器件的干擾。為了減少這種干擾，需要在芯片附近設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)電的“小水池”以提高這種瞬時(shí)的大電流

3、能力。在電源電路中，旁路和退耦都是為了減少電源噪聲。旁路主要是為了減少電源上的噪聲對(duì)器件本身的干擾（自我保護(hù)）；退耦是為了減少器件產(chǎn)生的噪聲對(duì)電源的干擾（家丑不外揚(yáng)）。有人說(shuō)退耦是針對(duì)低頻、旁路是針對(duì)高頻，這種說(shuō)法是不準(zhǔn)確的。高速芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)操作可能高達(dá)上GHz，由此引起對(duì)電源線(xiàn)的干擾明顯已經(jīng)不屬于低頻的范圍，為此目的的退耦電容同樣需要有很好的高頻特性。本文以下討論中并不刻意區(qū)分退耦和旁路，認(rèn)為都是為了濾除噪聲，而不管該噪聲的來(lái)源。簡(jiǎn)單說(shuō)明了旁路和退耦之后，我們來(lái)看看芯片工作時(shí)是怎樣在電源線(xiàn)上產(chǎn)生干擾的。我們建立一個(gè)簡(jiǎn)單的IO Buffer模型，輸出采用圖騰柱IO驅(qū)動(dòng)電路，由兩個(gè)互補(bǔ)MOS管組

4、成的輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)帶有串聯(lián)源端匹配電阻的輸出線(xiàn)（傳輸線(xiàn)阻抗為Z0）。設(shè)電源引腳和地引腳的封裝電感和引線(xiàn)電感之和分別為：Lv和Lg。兩個(gè)互補(bǔ)的CMOS管（接地的NMOS和接電源的PMOS）簡(jiǎn)單作為開(kāi)關(guān)使用。假設(shè)初始時(shí)刻傳輸線(xiàn)上各點(diǎn)的電壓和電流都為零，在某一時(shí)刻器件將驅(qū)動(dòng)傳輸線(xiàn)為高電平，這時(shí)候器件就需要從電源管腳吸收電流。在時(shí)間T1，是PMOS管導(dǎo)通，電流從PCB板上的VCC流入，流經(jīng)封裝電感Lv，跨越PMOS管，串聯(lián)終端電阻，然后流入傳輸線(xiàn)，輸出電流幅度為VCC/（2*Z0）。電流在傳輸線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上持續(xù)一個(gè)完整的返回（Round-Trip）時(shí)間，在時(shí)間T2結(jié)束。之后整個(gè)傳輸線(xiàn)處于電荷充滿(mǎn)狀態(tài)，不需要

5、額外流入電流來(lái)維持。當(dāng)電流瞬間涌過(guò)封裝電感Lv時(shí)，將在芯片內(nèi)部的電源提供點(diǎn)產(chǎn)生電壓被拉低的擾動(dòng)。該擾動(dòng)在電源中被稱(chēng)之為同步開(kāi)關(guān)噪聲（SSN，Simultaneous Switching Noise；SSO，Simultaneous Switching Output Noise）或Delta I噪聲。在時(shí)間T3，關(guān)閉PMOS管，這一動(dòng)作不會(huì)導(dǎo)致脈沖噪聲的產(chǎn)生，因?yàn)樵诖酥癙MOS管一直處于打開(kāi)狀態(tài)且沒(méi)有電流流過(guò)的。同時(shí)打開(kāi)NMOS管，這時(shí)傳輸線(xiàn)、地線(xiàn)、封裝電感Lg以及NMOS管形成一回路，有瞬間電流流過(guò)開(kāi)關(guān)B，這樣在芯片內(nèi)部的地節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生參考電平點(diǎn)被抬高的擾動(dòng)，該擾動(dòng)在電源系統(tǒng)中被稱(chēng)之為地彈噪聲

6、（Ground Bounce）。實(shí)際電源系統(tǒng)中存在芯片引腳、PCB走線(xiàn)、電源層、底層等任何連線(xiàn)都存在一定電感值，因此上面就IC級(jí)分析的SSN和地彈噪聲在進(jìn)行Board Level分析時(shí)，以同樣的方式存在，而不僅僅局限于芯片內(nèi)部。就整個(gè)電源分布系統(tǒng)來(lái)說(shuō)Power Distribute System來(lái)說(shuō)，這就是所謂的電源電壓塌陷噪聲。因?yàn)樾酒敵龅拈_(kāi)關(guān)操作以及芯片內(nèi)部的操作，需要瞬時(shí)的從電源抽取較大的電流，而電源特性來(lái)說(shuō)不能快速響應(yīng)該電流變化，高速開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率也只有MHz量級(jí)。為了保證芯片附近電源線(xiàn)上的電壓不至于因?yàn)镾SN和地彈噪聲降低超過(guò)器件手冊(cè)規(guī)定的容限，這就需要在芯片附近為高速電流需求提

7、供一個(gè)儲(chǔ)能電容，這就是我們所要的退耦電容。如果電容是理想電容，選用越大的電容當(dāng)然越好了，因?yàn)殡娙菰酱螅矔r(shí)提供電量的能力越強(qiáng)，因此引起的電源軌道塌陷的值越低，電壓值越穩(wěn)定。但是，實(shí)際的電容并不是理想器件，因?yàn)椴牧稀⒎庋b等方面的影響，具備有電感、電阻等附加特性；尤其是在高頻環(huán)境中表現(xiàn)得更像電感的電氣特性。我們都知道實(shí)際電容的模型簡(jiǎn)單的以電容、電阻和電感建立。除電容的容量C 以外，還包括以下寄生參數(shù)：1、等效聯(lián)電阻ESR（Resr）：電容器的等效聯(lián)電阻是由電容器的引腳電阻與電容器兩個(gè)極板的等效電阻相聯(lián)構(gòu)成的。當(dāng)有大的交電通過(guò)電容器，Resr 使電容器消耗能(從而產(chǎn)生損耗)，由此電容中常用損耗因子表

8、示該參數(shù)。2、等效聯(lián)電感ESL（Lesl）：電容器的等效聯(lián)電感是由電容器的引腳電感與電容器兩個(gè)極板的等效電感聯(lián)構(gòu)成的。3、等效并聯(lián)電阻EPR Rp ：就是我們通常所說(shuō)的電容器泄電阻，在交耦合應(yīng)用、存儲(chǔ)應(yīng)用(如模擬積分器和采樣保持器)以及當(dāng)電容器用于高阻抗電時(shí)，Rp 是一項(xiàng)重要參數(shù)，想電容器中的電荷應(yīng)該只隨外部電變化。然而實(shí)際電容器中的Rp 使電荷以RC時(shí)間常數(shù)決定的速度緩慢泄放。還有兩個(gè)參數(shù)RDA、CDA 也是電容的分布參數(shù)，但在實(shí)際的應(yīng)該中影響比較小，這就省了吧。所以電容重要分布參數(shù)的有三個(gè)：ESR、ESL、EPR。其中最重要的是ESR、 ESL，實(shí)際在分析電容模型的時(shí)候一般只用RLC 簡(jiǎn)化

9、模型，即分析電容的C、ESR、ESL。因?yàn)榧纳鷧?shù)的影響，尤其是ESL 的影響，實(shí)際電容的頻率特性表現(xiàn)出阻抗和頻率成“V”字形的曲線(xiàn)，低頻時(shí)隨頻率的升高，電容阻抗降低；當(dāng)?shù)阶畹忘c(diǎn)時(shí)，電容阻抗等于ESR；之后隨頻率的升高，阻抗增加，表現(xiàn)出電感特性（歸功于ESL）。因此對(duì)電容的選擇需要考慮的不僅僅是容值，還需要綜合考慮其他因素。包括：1、電容容值；2、電介質(zhì)材料；3、電容的幾何尺寸和放置位置。所有考慮的出發(fā)點(diǎn)都是為了降低電源地之間的感抗（滿(mǎn)足電源最大容抗的條件下），在有瞬時(shí)大電流流過(guò)電源系統(tǒng)時(shí)，不至于產(chǎn)生大的噪聲干擾芯片的電源地引腳。選用常見(jiàn)的有兩種方法計(jì)算所需的電容：簡(jiǎn)單方法：由輸出驅(qū)動(dòng)的變化計(jì)

10、算所需退耦電容的大??；復(fù)雜方法：由電源系統(tǒng)所允許的最大的感抗計(jì)算退耦電容的大小。我們假設(shè)一個(gè)模型，在一個(gè)Vcc3.3V 的SRAM 系統(tǒng)中，有36 根輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)，單根數(shù)據(jù)線(xiàn)的負(fù)載為Cload30pF（相當(dāng)?shù)拇罅耍敵鲵?qū)動(dòng)需要在Tr2ns（上升時(shí)間）內(nèi)將負(fù)載從0V 驅(qū)動(dòng)到3.3V，該芯片資料里規(guī)定的電源電壓要求是3.3V0.3V/-0.165V。可以看出在SRAM 的輸出同時(shí)從0V 上升到3.3V 時(shí)，從電源系統(tǒng)抽取的電流最大，我們選擇此時(shí)計(jì)算所需的退耦電容量。我們采用第一種計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，單根數(shù)據(jù)線(xiàn)所需要的電流大小為： ICload×（dV/dt）30pF×（3V/2n

11、s）=45mA；36 根數(shù)據(jù)線(xiàn)同時(shí)翻轉(zhuǎn)時(shí)的電流大小為Itot45mA×361.62A。芯片允許的供電電壓降為0.165V，假設(shè)我們?cè)试S該芯片在電源線(xiàn)上因?yàn)镾SN 引入的噪聲為50mV，那么所需要的退耦電容為：CI×（dt/dV）1.62A×（2ns/50mV）=64nF；從標(biāo)準(zhǔn)容值表中選用兩個(gè)34nF 的電容進(jìn)行并聯(lián)以完成該值，正如上面提到的退耦電容的選擇在實(shí)際中并不是越大越好，因?yàn)樵酱蟮碾娙菥哂懈蟮姆庋b，而更大的封裝可能引入更大的ESL，ESL 的存在會(huì)引起在IC 引腳處的電壓抖動(dòng)（Glitching），這個(gè)可以通過(guò)VL×（di/dt）公式來(lái)說(shuō)明，常

12、見(jiàn)貼片電容的L 大約是1.5nH，那么V1.5nH×（1.62A/2ns）=1.2V，考慮整個(gè)Bypass 回路的等效電感之后，實(shí)際電路中g(shù)litch 會(huì)小于該值。通過(guò)前人做的一些仿真的和經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)看，退耦電容上的Glitch 與同時(shí)驅(qū)動(dòng)的總線(xiàn)數(shù)量有很大關(guān)系。因?yàn)镋SL 在高頻時(shí)覺(jué)得了電源線(xiàn)上的電流提供能力，我們采用第二種方法再次計(jì)算所需的退耦電容量。這種方法是從Board Level 考慮單板，即從Bypass Loop 的總的感抗角度進(jìn)行電容的計(jì)算和選擇，因此更具有現(xiàn)實(shí)意義，當(dāng)然需要考慮的因素也就越多，實(shí)際問(wèn)題的解決總是這樣，需要一些折中，需要一點(diǎn)妥協(xié)。同樣使用上面的假設(shè)，電源

13、系統(tǒng)的總的感抗最大： Xmax（dV/dI）0.05/1.62=31m 歐；在此，需要說(shuō)明我們引入的去耦電容是為了去除比電源的去耦電容沒(méi)有濾除的更高頻率的噪聲，例如在電路板級(jí)參數(shù)中串聯(lián)電感約為L(zhǎng)serial5nH，那么電源的退耦頻率： FbypassXmax/(2pi×Lserial)982KHz，這就是電源本身的濾波頻率，當(dāng)頻率高于此頻率時(shí)，電源電路的退耦電路不起作用，需要引入芯片的退耦電容進(jìn)行濾波。這里引入另外一個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率Fknee，該頻率決定了數(shù)字電路中主要的能量分布，高于該頻率的分量認(rèn)為對(duì)數(shù)字電路的上升沿和下降沿變化沒(méi)有貢獻(xiàn)。在High-Speed Digital De

14、sign:A Hand Book of Black Magic 這本書(shū)的第一章就詳細(xì)的討論了該問(wèn)題，在此不進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。只是引入其中推倒的公式： Fknee（1/2×Tr）250MHz，其中Tr2ns；可見(jiàn)Fknee 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Fbypass，5nH 的串聯(lián)電感肯定是不行了。那么計(jì)算：LtotXmax/(2pi×Fknee)(Xmax×Tr/pi)=19.7pH；如前面提到的常見(jiàn)的貼片電容的串聯(lián)電感在1.5nH 左右，所需要的電容個(gè)數(shù)是：N（Lserial/Ltot）=76 個(gè)，另外當(dāng)頻率降到Fbypass 的時(shí)候，也應(yīng)該滿(mǎn)足板級(jí)容抗需要即：Carray=(1/（2

15、pi×Fbypass×Xmax）)5.23uF Celement=Carray/N=69nF；電容選擇上都采用的MLCC 的電容進(jìn)行退耦，常見(jiàn)的MLCC 的電容因?yàn)榻橘|(zhì)的不同可以進(jìn)行不同的分類(lèi)，可以分成NPO 的第一類(lèi)介質(zhì)，X7R 和Z5V 等的第二、三類(lèi)介質(zhì)。EIA 對(duì)第二、三類(lèi)介質(zhì)使用三個(gè)字母，按照電容值和溫度之間關(guān)系詳細(xì)分類(lèi)為：第一個(gè)數(shù)字表示下限類(lèi)別溫度： X：55 度；Y：30 度；Z：10 度；第二個(gè)數(shù)字表示上限溫度：4：65 度；5：85 度；6：105 度；7：125 度；8：150 度；第三個(gè)數(shù)字表示25 度容量誤差：P：10/-10；R：15/-15；S：22/-22；T：22/-33；U：22/-56