电源完整性问题概述

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/03/29 10:22:17
在高速数字电路中,当数字集成电路加电工作时,它内部的门电路输出会发生从高到低或者从低到高的状态转换,即“0”和“1”间的转换。在变化的过程冲,门电路中的晶体管将不停地导通和截止,这时会有电流从所接电源流入门电路,或从门电路流入地线,使电源线或地线上的电流产生不平衡,从而产生一个瞬间变化的电流△I。这个电流在流经回流路径上存在的电感时会形成交流电压降,进而引起噪声。如果同时发生状态转换的输出缓冲器较多时,这个压降足够大,从而导致电源完整性问题,将这种噪声称为同步开关噪声(Simultaneous Switch Noise),或者Af噪声。
具体来讲,同步开关噪声对信号传输有明显的影响。由于接地引线和平面存在寄生电感,在开关电流的作用下,会造成一定的AF噪声,也就是说器件的参考地已经不再保持零电平,这就造成在驱动端本来要发送的低电平会出现相应的噪声波形,相位和地面噪声相同,而对于开关信号波形来说,会因为地噪声的干扰导致信号的下降沿变缓,并且出现纹波,如图1所示。接收端信号的波形同样会受到地噪声的干扰,不过此时的干扰波形和地噪声相位相反,如图2所示。

图1 开关噪声对驱动端输入信号的影响
更为严重的是,在一些存储性器件里,还有可能因为本身电源/地噪声的影响造成数据意外翻转,如图3所示。
同步开关AJ噪声分为芯片级AJ噪声和电路板级△I噪声,前者是由于在集成电路内,多个门电路共用一条电源线和地线,所以其他门电路将受到电源电压变化的影响,严重时会使这些门电路工作异常,产生运行错误;后者是由于在一块数字印制电路板上,常常是多个芯片共用同一条电源线和地线,而多层数字印制电路板则采用整个金属薄面作为电源线或地结,这样一个芯片工作引发的△I噪声将通过电源线或地线干扰其它芯片的正常工作.

图2 开关噪声对接收端信号的影响

图3  开关噪声对存储器的影响
同步开关噪声主要是伴随着器件的同步开关输出(Simultaneous Switch Output)而产生的,开关速度越快,瞬间电流变化越显著,电流回路上的电感越大,则产生的同步开关噪声越严重。同步开关噪声电压公式表示如下
VssN=NLLOOP(di/dt)
其中,Ⅳ是同时开关的驱动器数目;NLLOOP为整个回流路径上的电感;i是每个驱动端的电流:VssN就是同步开关噪声的大小。在利用这个公式分析的时候,不但要对电路进行合理建模,还要判断各种可能的回流路径,以及分析不同的工作状态。
如图4所示,用一个直观的电路图来阐述同步开关噪声的原理。其中,封装模型包括自身的电感和封装之间的互电感,这里简化了电阻对开关噪声的影响,系统接收器用电容模拟。图4所示中的气和气为封装中电源和地的寄生电感,也可称做电源引脚电感和地引脚电感,Ls为系统电源的电感。

图4 同步开关噪声分析模型
当驱动器3开关输出,驱动器1作为接收端时,产生的噪声为芯片内部开关噪声;当驱动器1或驱动器2开关输出,将信号传输到系统的接收器时,产生的噪声称为芯片外部开关噪声,下面具体分析这两种情况。
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