同時，電源為負載電路提供電流。如圖2(b)所示連接一個數字IC
，數字IC會hui通tong過guo其qi運yun行xing改gai變bian電dian源yuan電dian流liu，使shi電dian源yuan感gan應ying到dao噪zao聲sheng，進jin而er可ke能neng幹gan擾rao電dian路lu本ben身shen的de運yun行xing。下xia文wen中zhong將jiang這zhe一yi現xian象xiang稱cheng為wei電dian源yuan電dian壓ya的de波bo動dong。電dian源yuan濾lv波bo器qi也ye需xu要yao具ju有you抑yi製zhi電dian源yuan電dian壓ya波bo動dong的de作zuo用yong。

yibaneryan，lvboqifangzhizaoshengchuandaodexiaoguoyuyizhidianyuandianyabodongdexiaoguobingbubutong。qiyizhidianyuandianyabodongdexiaoguotongguoyuanzukanglaibiaoshi。dangdianyuandianyadebodongchuandaowaibushi
，zaoshengjianghuirutu2(a)所示被傳出。盡管這兩種噪聲看似不同
，但它們卻相互關聯。
本章節主要針對數字電路
，介紹電源電壓波動和源阻抗。





電源電壓波動

(1) 數字電路的運行與源阻抗
如第2章的章節2-3所(suo)述(shu)，在(zai)電(dian)路(lu)運(yun)行(xing)中(zhong)

，數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)源(yuan)和(he)接(jie)地(di)中(zhong)會(hui)產(chan)生(sheng)長(chang)釘(ding)形(xing)的(de)電(dian)流(liu)。這(zhe)種(zhong)電(dian)流(liu)將(jiang)噪(zao)聲(sheng)感(gan)應(ying)到(dao)電(dian)源(yuan)，使(shi)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)發(fa)生(sheng)波(bo)動(dong)，導(dao)致(zhi)電(dian)路(lu)無(wu)法(fa)穩(wen)定(ding)運(yun)行(xing)。它(ta)也(ye)會(hui)更(geng)容(rong)易(yi)引(yin)起(qi)信(xin)號(hao)波(bo)形(xing)和(he)產(chan)生(sheng)噪(zao)聲(sheng)方(fang)麵(mian)的(de)問(wen)題(ti)。
防止電源電壓波動的功能通過源阻抗[參考文獻 5]來表示。源阻抗是電源品質的一個指標，表示為圖2(b)中連接數字IC（負載）的位置處（電源端子等）電源側的阻抗。[page]

(2) 電源電壓波動的影響
圖3中的示意圖解釋了當噪聲被感應到數字IC電源時整個設備的噪聲產生的影響。IC電源電壓波形如圖中間所示。根據長釘形的波形，可以發現 這(zhe)是(shi)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)運(yun)行(xing)中(zhong)感(gan)應(ying)的(de)噪(zao)聲(sheng)。在(zai)此(ci)
，長(chang)釘(ding)形(xing)的(de)波(bo)形(xing)被(bei)稱(cheng)為(wei)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)波(bo)動(dong)。這(zhe)種(zhong)效(xiao)應(ying)會(hui)幹(gan)擾(rao)電(dian)路(lu)的(de)穩(wen)定(ding)運(yun)行(xing)和(he)增(zeng)速(su)，或(huo)將(jiang)噪(zao)聲(sheng)擴(kuo)散(san)至(zhi)電(dian)源(yuan)線(xian)或(huo)信(xin)號(hao)線(xian)，或(huo)使(shi)信(xin)號(hao) 波形失真，如圖中(1)到(4)所示。如果擴散至電源線的噪聲由電纜發射，則會成為關乎噪聲規定的問題。


(3) 電源噪聲的頻譜
電dian源yuan電dian壓ya的de波bo動dong源yuan自zi在zai數shu字zi信xin號hao上shang升sheng和he下xia降jiang瞬shun間jian流liu經jing的de電dian流liu。因yin此ci，如ru果guo噪zao聲sheng源yuan的de電dian路lu很hen簡jian單dan，電dian源yuan電dian壓ya波bo動dong相xiang關guan的de噪zao聲sheng也ye具ju有you像xiang信xin號hao諧xie波bo一yi樣yang的de離li散san分fen布bu頻pin 譜。圖4給出了一個實驗的示例，其中以20MHz運行的數字IC的電源發射噪聲。電源電壓每隔50ns(20MHz)呈現出長釘形，而且可以發現 當噪聲發射時，每隔20MHz就可以觀察到噪聲頻譜。


(4) 源阻抗的頻率特征
為減少電源電壓波動，要降低源阻抗。因為根據歐姆定律阻抗與電壓存在比例關係，如果流經數字IC的電流恒定
，電壓波動就會減少，因為源阻抗也降低了。
圖5給出了源阻抗測量結果的一個示例。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。



(5) 源阻抗測量
因為源阻抗非常小，所以很難進行測量。圖5顯示了通過網絡分析儀測量的結果。由於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 進行測量。通常是在IC（負載）的電源端子和接地端子之間測量。為消除IC的影響並提高測量精確性
，需要暫時將IC從PCB移開，然後測量PCB側的阻 抗。[page]

去耦電容器

如果電源電路基於負載的電流恰當運行，源阻抗的理想值應該為零。但是
，在現實生活中
，在10MHz以上的高頻範圍內阻抗會逐漸增加（如圖5所示）

，而且在某些情況下，它還會高達幾10Ω。

(1) 去耦電容器
如圖6(a)所示，由於連接電源和負載的線路具有電感和電阻，即使電源在理想情況下運行（0Ω）
，負載側還是會產生一些阻抗。特別是在高頻範圍內，線路中的電感是使阻抗升高的主要原因。
為降低高頻範圍內的源阻抗，如圖6(b)所示在電源和地線之間靠近負載的地方連接一個電容器。這個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。



(2) 電源電壓波動的吸收
quoudianrongqizuoweilinshichudianqixishoufuzaidianliudegaibian，fangzhidianyuandianyadebodonghezaoshengdechansheng。yinweiqifangzhizaifuzaifujin，xianluzukangzaochengdeyingxianghuijianshao。congzukangdejiaodueryan，zhezhongyunxingfangshiyiweizheyuanzukangjiangdile。
但是，即使使用了去耦電容器，還是存在一段導線（如圖6(b)所示），並產生電感。因此
，布置電容器時
，應使這部分越短越好。

(3) 噪聲限製效果
從cong噪zao聲sheng抑yi製zhi的de角jiao度du來lai看kan，可ke以yi認ren為wei去qu耦ou電dian容rong器qi限xian製zhi了le負fu載zai和he去qu耦ou電dian容rong器qi之zhi間jian線xian路lu部bu分fen負fu載zai側ce電dian源yuan產chan生sheng的de高gao頻pin電dian流liu，從cong而er防fang止zhi了le噪zao聲sheng傳chuan到dao電dian源yuan線xian更geng遠yuan的de地di方fang。因yin 此，去耦電容器不僅是穩定電路操作而且也是防止噪聲產生的重要元件。為了更有效地防止噪聲傳導
，可如圖2(a)所示增加一個鐵氧體磁珠，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) 證實去耦電容器的效用
圖7顯示了針對圖4中的測試電路使用去耦電容器時電源電壓波動發生的變化。通過連接電容器，電壓波動幅度從0.48V降至0.10V，同時噪聲發射降低了10dB。
圖8指出了使用更高性能的三端子電容器的情形。對比使用普通MLCC的(de)情(qing)形(xing)，電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)波(bo)動(dong)幅(fu)度(du)有(you)所(suo)降(jiang)低(di)，同(tong)時(shi)也(ye)顯(xian)著(zhu)抑(yi)製(zhi)了(le)噪(zao)聲(sheng)發(fa)射(she)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)三(san)端(duan)子(zi)電(dian)容(rong)器(qi)具(ju)有(you)專(zhuan)為(wei)降(jiang)噪(zao)設(she)計(ji)的(de)有(you)利(li)結(jie)構(gou)。三(san)端(duan)子(zi)電(dian)容(rong)器(qi)將(jiang)在(zai)第(di)6章中進一步講述。



[page]環路阻抗

(1) 源阻抗的頻率範圍
圖5中所示的源阻抗實際上給出了一個例子，其通過使用多個去耦電容器實現了極低的阻抗。這些頻率特征可以分為如圖9所示的三個區域。

(2) 什麼控製著低頻範圍？
①的低於1MHz較(jiao)為(wei)平(ping)緩(huan)部(bu)分(fen)可(ke)觀(guan)察(cha)到(dao)的(de)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)。如(ru)果(guo)不(bu)使(shi)用(yong)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)器(qi)
，阻(zu)抗(kang)會(hui)從(cong)圖(tu)中(zhong)虛(xu)線(xian)所(suo)指(zhi)示(shi)的(de)較(jiao)低(di)頻(pin)率(lv)處(chu)開(kai)始(shi)增(zeng)加(jia)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)的(de)輸(shu)出(chu)特(te)征(zheng)和(he)線(xian)路(lu)中(zhong)電(dian)感(gan)的(de)作(zuo)用(yong)。
如果使用去耦電容器，可抑製高頻範圍的阻抗。

(3) 什麼控製著高頻範圍？
圖9中(2)和(3)指示的是相對較高的頻率範圍
，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範圍，可通過將靜電 容量的大小進行一定程度地控製。(3)是電容器存在電感阻抗的頻率範圍。為進一步降低此區域的阻抗

，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。



(4) 環路阻抗
線路電感由負載IC和去耦電容器之間連接的模式和通孔構成

，如圖10中所示。將經過這些元件的整個電流環路之和與電容器的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路的阻抗可以稱為環路阻抗。圖9所示區域(3)的環路阻抗是主要來自線路和電容器本身的電感所致。
為降低高頻範圍內的環路阻抗，需要降低電感。也就是說，當環路阻抗的目標值為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。這是一個極低的值。

(5) 環路阻抗的要素
因為實際電路可能存在導線分支的情況或者有多個電容器，所以不能像圖10和圖11那(na)樣(yang)簡(jian)單(dan)地(di)思(si)考(kao)問(wen)題(ti)。但(dan)是(shi)，這(zhe)個(ge)模(mo)型(xing)是(shi)有(you)用(yong)的(de)
，可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)將(jiang)環(huan)路(lu)阻(zu)抗(kang)分(fen)解(jie)為(wei)各(ge)個(ge)要(yao)素(su)的(de)理(li)念(nian)。為(wei)有(you)效(xiao)地(di)盡(jin)量(liang)降(jiang)低(di)環(huan)路(lu)阻(zu)抗(kang)，需(xu)要(yao)降(jiang)低(di)在(zai)總(zong)阻(zu)抗(kang)中(zhong)占(zhan)很(hen)大(da)一(yi)部(bu)分(fen)的(de)電(dian)感(gan)。





[page]如何盡量降低環路阻抗

為盡量降低高頻範圍內的環路阻抗，需要降低電容器的ESL和線路的電感。如果能夠進行巧妙地設計，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
，線路和通孔應該要“粗且短”。例如，在布置電容器和通孔時
，應減少圖10中所示電流環路的麵積。此外，布局模式應該盡可能地寬。將電容器放置在（基板另一側）IC的正下方，並使基板變薄，通常能夠讓電流環路變小。

(3) 電容器和通孔的並聯
當並聯使用眾通孔通路和電容器時，可降低阻抗。
因為線路和通孔的電感非常小，而且還涉及互感
，所以很難得到一個簡單的判斷。為此，可使用電磁模擬裝置估計這樣的環路阻抗。圖12給出了電感的一 般範圍供您參考。但是，根據線路的不同形狀
，電感可能相差好幾倍。此外，即使隻是1mm的長度
，也會造成約0.5nH的電感
，這是無法忽略的。



(4) 注意反諧振
ruguoshiyonglelianggehuogengduogedianrongqi，xuyaokaolvdianrongqizhijianfashengdexiezhen。yibaneryan，ruguobinglianlianjiejuyoubutongzixiezhenpinlvdeduogedianrongqi，fanxiezhenhuidaozhijuyougaozukangdepinlv（將在第6章中進行探討）。
除了線路電感之外
，還需要考慮在100MHz以上的高頻範圍內存在的靜電容量。此外，電源層的諧振和IC封裝的影響也會在高頻範圍內變得顯著。鑒於要素如此複雜，也可使用電磁模擬裝置。

[page]源阻抗和噪聲抑製之間的不同

qianyishuji，shiyongdianyuanlvboqidelingyigezhongyaomudezaiyufangzhizaoshengjinruhechuanchu。tongchangeryan，lvboqibaokuodianrongqihedianganqi，tamenxingchengyigeditonglvboqi。tu2(b)顯示了電源用典型濾波器的結構。（濾波器的功能和結構將在第3章中進一步描述。）

盡管電容器和電感器都能減少噪聲，但它們在抑製源阻抗方麵以不同的方式發揮作用。圖13顯示了一個T型濾波器的情形，其中電容器用於降低阻抗，而 電感器卻用於增加阻抗。因此，在使用電容器時
，如果使用的是如圖7和8所示的高性能電容器，通常能在抑製電源電壓波動和減少發射的噪聲方 麵mian取qu得de更geng好hao的de成cheng效xiao。但dan是shi，如ru果guo使shi用yong電dian感gan器qi

，就jiu需xu要yao注zhu意yi，即ji使shi能neng夠gou減jian少shao噪zao聲sheng，但dan卻que可ke能neng加jia劇ju電dian源yuan電dian壓ya的de波bo動dong。因yin此ci，如ru果guo使shi用yong電dian感gan器qi抑yi製zhiIC電源終端的噪聲
，應 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該要足夠大。



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製了電壓波動，但在減少噪聲方麵可能無法看到充分的實效。圖14給出了一個模擬之前測試中相關情形的示例。
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，因此可以認為環路阻抗是相同的。電源電壓波動也在同樣的範圍內。但是
，(b)發射的噪聲比(a)高10dB。
產生這種差別的原因在於(a)在能夠傳導噪聲的路徑上使用電容器

，而(b)在（IC和會發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]



噪聲路徑未知時怎麼辦

圖14中的測試說明，如果提前知道噪聲路徑在哪裏，就可以很輕鬆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
，線路的兩個部分都存在噪聲路徑
，如圖15(a)所示。這時


，哪裏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(suo)示(shi)將(jiang)電(dian)容(rong)器(qi)放(fang)置(zhi)在(zai)線(xian)路(lu)的(de)兩(liang)側(ce)以(yi)限(xian)製(zhi)噪(zao)聲(sheng)。盡(jin)管(guan)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)的(de)電(dian)容(rong)器(qi)，但(dan)由(you)於(yu)電(dian)容(rong)器(qi)是(shi)並(bing)聯(lian)連(lian)接(jie)在(zai)線(xian)路(lu)左(zuo)側(ce)和(he)右(you)側(ce)，可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)噪(zao)聲(sheng)幹(gan)擾(rao)的(de)風(feng)險(xian)，同(tong)時(shi)也(ye)可(ke)降(jiang)低(di)環(huan)路(lu)阻(zu)抗(kang)。
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。



如(ru)果(guo)針(zhen)對(dui)多(duo)層(ceng)電(dian)路(lu)板(ban)使(shi)用(yong)電(dian)源(yuan)層(ceng)，由(you)於(yu)其(qi)線(xian)路(lu)電(dian)感(gan)小(xiao)，因(yin)此(ci)有(you)利(li)於(yu)抑(yi)製(zhi)源(yuan)阻(zu)抗(kang)。但(dan)是(shi)，直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)電(dian)源(yuan)終(zhong)端(duan)和(he)電(dian)源(yuan)層(ceng)會(hui)導(dao)致(zhi)難(nan)以(yi)縮(suo)小(xiao)噪(zao)聲(sheng)傳(chuan)播(bo)路(lu)徑(jing)的(de)寬(kuan)度(du)，從(cong)而(er) 不利於防止噪聲傳出。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）的方法也適用於多層線路板

，能夠改善噪聲抑製 效果。