高速數(shù)字電路如何中抑制噪聲，高頻部分受封裝影響

一、Pkg與PCB系統(tǒng)

隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的需求越來(lái)越高，電子產(chǎn)品的核心—芯片的工藝尺寸越來(lái)越小，工作的頻率越來(lái)越高，目前處理器的核心頻率已達(dá)Ghz，數(shù)字信號(hào)更短的上升和下降時(shí)間，也帶來(lái)更高的諧波分量，數(shù)字系統(tǒng)是一個(gè)高頻高寬帶的系統(tǒng)。對(duì)于一塊組裝的PCB，無(wú)論是PCB本身，還是上面的封裝（Package，Pkg），其幾何結(jié)構(gòu)的共振頻率也基本落在這一范圍。不當(dāng)?shù)?a target="_blank">電源供應(yīng)系統(tǒng)（PDS）設(shè)計(jì)，將引起結(jié)構(gòu)共振，導(dǎo)致電源品質(zhì)的惡化，造成系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

此外，由于元器件密度的增高，為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)普遍采用低電壓低擺幅設(shè)計(jì)，而低電壓信號(hào)更容易受到噪聲干擾。這些噪聲來(lái)源很廣，如耦合（coupling）、串?dāng)_（Crosstalk）、電磁輻射（EMI）等，但是最大的影響則來(lái)自于電源的噪聲，特別是同步切換噪聲（Simultaneous switching noise，SSN）。

通常整個(gè)PDS系統(tǒng)除了包含電路系統(tǒng)外，也包含電源與地平面形成的電磁場(chǎng)系統(tǒng)。下圖是一個(gè)電源傳輸系統(tǒng)的示意圖。

圖1 典型的電源傳輸系統(tǒng)示意圖

二、Pkg與PCB系統(tǒng)的測(cè)量

一般在探討地彈噪聲（GBN）時(shí)，通常只單純考慮PCB,且測(cè)量其S參數(shù)|S21|來(lái)表示GBN大小的依據(jù)。Port1代表SSN激勵(lì)源的位置，也即PCB上主動(dòng)IC的位置，而較小的|S21|代表較好的PDS設(shè)計(jì)和較小的GBN。然而一般噪聲從IC上產(chǎn)生，通過(guò)Pkg的電源系統(tǒng)、再通過(guò)基板Via和封裝上的錫球的連接，到達(dá)PCB的電源系統(tǒng)（如圖1）。所以不能只單純考慮PCB或Pkg，必須把兩者結(jié)合起來(lái)，才能正確描述GBN在高速數(shù)字系統(tǒng)中的行為。

為此，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)PDS結(jié)構(gòu)（如圖2），來(lái)代表Pkg安裝在PCB上的電源系統(tǒng)。

圖2 BGA封裝安裝在PCB上的結(jié)構(gòu)和截面示意圖

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀（HP8510C）結(jié)合探針臺(tái)（Microtechprobe station）,量測(cè)此結(jié)構(gòu)之S參數(shù)，從50Mhz到5Ghz。測(cè)量上，使用兩個(gè)450um-pitch的GS探針，接到Pkg信號(hào)層的Powerring和Ground ring上。這個(gè)測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 BGA封裝安裝在PCB上的結(jié)構(gòu)測(cè)量示意圖

Pkg+PCB結(jié)構(gòu)量測(cè)S參數(shù)的結(jié)果如圖4所示，同時(shí)我們也做了單一Pkg和PCB的量測(cè)結(jié)果，通過(guò)對(duì)比來(lái)了解整個(gè)PDS系統(tǒng)和單一Pkg和PCB之間的差別。

圖4 BGA封裝安裝在PCB上的量測(cè)結(jié)果

從圖4的測(cè)量結(jié)果，我們可以考到三種結(jié)構(gòu)的GBN行為有很大的差異。首先考慮只有單一Pkg時(shí)的S參數(shù)，在1.3Ghz之前的行為像一個(gè)電容，在1.5Ghz后才有共振模態(tài)產(chǎn)生；考慮單一PCB，在0.5Ghz后就有共振模態(tài)產(chǎn)生，像0.73Ghz（TM01）、0.92Ghz(TM10)、1.17Ghz（TM11），其GBN行為比單一Pkg更糟。最后，考慮Pkg結(jié)合PCB，可以看到在1.5Ghz之前，比單一Pkg多了三個(gè)共振點(diǎn)，這些噪聲共振來(lái)自于PCB，通過(guò)錫球、Via等耦合到Pkg的電源上，這會(huì)使Pkg里的IC受噪聲影響更嚴(yán)重，這跟只考慮單一Pkg或PCB時(shí)有很大不同。

三、去耦電容對(duì)電源噪聲的影響

對(duì)于電源平面噪聲傳統(tǒng)的抑制方法是使用那個(gè)耦合電容，對(duì)于去耦電容的使用已有很多研究，但電容大小、位置、以及個(gè)數(shù)基本還是基于經(jīng)驗(yàn)法則。

去耦電容的理想位置

為了研究去耦電容位置PDS的影響，我們用上述Pkg+PCB結(jié)構(gòu)，分別在Pkg和PCB上加去耦電容或兩者都加上去耦電容，通過(guò)量測(cè)|S21|來(lái)研究去耦電容的理想擺放位置。

圖5 去耦電容安裝在Pkg和PCB上

如圖5所示，我們擺放電容的位置分三種情況，一是在Pkg上加52顆，二是在PCB上加63顆，三是在Pkg和PCB上同時(shí)各放置52和63顆，電容值大小為100nF, ESR、ESL分別為0.04ohm、0.63nH。量測(cè)結(jié)果如圖6。

圖6 加去耦電容于不同位置的|S21|比較圖

首先，把低頻到5Ghz分成三個(gè)階段，首先，開(kāi)始低頻到500Mhz左右，不管在Pkg或PCB上加去耦電容，相比沒(méi)有加電容，都可以大大降低結(jié)構(gòu)阻抗，減少GBN干擾。第二，對(duì)于0.5Ghz～2Ghz，在Pkg上和同時(shí)在Pkg與PCB上加去耦電容，對(duì)噪聲抑制效果差不多?？墒侨绻辉赑CB上加電容，可以看到在800Mhz附近多了一個(gè)共振點(diǎn)，這比沒(méi)有加電容時(shí)更糟。所以我們只在PCB上加電容時(shí)要特別注意，可能加上電容后電源噪聲更嚴(yán)重。第三，從2Ghz～5Ghz，三種加電容方式與沒(méi)加電容相比，效果并不明顯，因?yàn)榇穗A段超過(guò)了電容本身的共振頻率，由于電容ESL的影響，隨著頻率升高，耦合電容逐漸失去作用，對(duì)較高頻的噪聲失去抑制效果。

去耦電容ESR的影響

在Pkg結(jié)合PCB結(jié)構(gòu)上，放置12顆去耦電容，同時(shí)改變?nèi)ヱ铍娙莸腅SR，模擬結(jié)果如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)ESR值越來(lái)越大，會(huì)將極點(diǎn)鏟平，同時(shí)零點(diǎn)也被填平，使S21成為較為平坦的曲線。

圖7 去耦電容的ESR對(duì)|S21|的影響

去耦電容ESL的影響

在Pkg結(jié)合PCB結(jié)構(gòu)上，放置12顆去耦電容，同時(shí)改變?nèi)ヱ铍娙莸腅SL，模擬結(jié)果如圖8所示。從圖中我們發(fā)現(xiàn)，ESL越大，共振點(diǎn)振幅越大，且有往低頻移動(dòng)的趨勢(shì)，對(duì)噪聲的抑制能力越低。

圖8 去耦電容的ESL對(duì)|S21|的影響

去耦電容數(shù)量的影響

由前面的結(jié)果知道，電容放在封裝上效果更好，所以對(duì)電容數(shù)量的探討，以在Pkg上為主。在前述Pkg+PCB的結(jié)構(gòu)上，Pkg上電容的放置方式如圖9，模擬結(jié)果如圖10。

圖9 封裝上電容的放置位置

圖10 電容數(shù)量對(duì)|S21|的影響

從測(cè)量結(jié)果可知，加4和8顆時(shí)，在0～200Mhz，能有效壓低|S21|，但在400Mhz附近產(chǎn)生新的共振點(diǎn)，而把之后的共振點(diǎn)往高頻移動(dòng)。當(dāng)加入12～52顆后，同樣壓低低頻|S21|，且把400Mhz附近的共振點(diǎn)大大消減，高頻共振點(diǎn)向高頻移動(dòng)，且振幅大為縮減。

隨著電容數(shù)量增加，對(duì)噪聲的抑制更好，從4～8顆的300Mhz，提升到1.2Ghz（52顆），所以增加電容數(shù)量，有助于對(duì)提高電源的噪聲抑制能力。

去耦電容容值的影響

在Pkg和PCB的組合結(jié)構(gòu)上，放置不同容值的電容，模擬結(jié)果如圖11。

對(duì)加入100nF和100pF做比較，0～300Mhz間，100n大電容有較好的抑制效果；500～800Mhz，100p小電容有較好的效果；而加100n電容，會(huì)跟整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在400Mz產(chǎn)生共振；當(dāng)使用100n+100p，200～600Mhz，比單純使用100n和100p差，而更低頻或更高頻也沒(méi)有單一容值好；當(dāng)使用100n+1n+100p三種容值時(shí)，產(chǎn)生了更多共振點(diǎn)，在電子系統(tǒng)中要特別小心，如果電路產(chǎn)生的噪聲剛好在共振頻率點(diǎn)，則噪聲被放大，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響或輻射。

所以對(duì)電容容值的選擇，應(yīng)根據(jù)要抑制的頻段來(lái)決定，頻段決定后根據(jù)電容的共振點(diǎn)選擇電容，越低的電容ESL和ESR越好。

圖11 混合不同容值電容的模擬結(jié)果

板層厚度的影響

首先，固定PCB電源與地平面之間的距離為0.7mm，改變Pkg電源層厚度依次為1.6mm、0.8mm、0.4mm、0.15mm,結(jié)果如圖12所示；當(dāng)Pkg電源層厚度越來(lái)越高，第一個(gè)零點(diǎn)向低頻移動(dòng)；從前面結(jié)論知道，2Ghz前的噪聲來(lái)自PCB，從結(jié)果來(lái)看PCB耦合上來(lái)的噪聲也變大了，而2Ghz以后主要受封裝影響，可以看到|S21|也隨厚度而變大，所以Pkg電源平面的厚度對(duì)S參數(shù)影響是很大的。

圖12 不同Pkg電源層厚度對(duì)|S21|的影響

接著，我們固定Pkg厚度為0.15mm，分別改變PCB厚度為0.15mm、0.4mm、0.8mm、1.6mm，PCB厚度對(duì)S參數(shù)的影響結(jié)果如圖13所示，可以看到PCB電源層厚度對(duì)整體趨勢(shì)影響并不大，只有低頻部分少有差異，厚度增加第一個(gè)零點(diǎn)小高頻移動(dòng)，高頻部分只稍有差異。

圖13 不同PCB電源層厚度對(duì)|S21|的影響

電容擺放距離的影響

我們知道去耦電容的位置距離噪聲源越近越好，因?yàn)槟軠p少電容到噪聲源之間的電感值，讓電容更快的吸收突波，降低噪聲，達(dá)到穩(wěn)定電壓的作用。同樣降低電源層厚度能減小電源平面寄生電感，也能起到相同作用。在模擬上我們改變電容在封裝上和測(cè)試點(diǎn)之間的距離，分別為1.7cm和0.2cm，Pkg和PCB電源層厚度分兩種情況，第一種Pkg 0.15mm和PCB 0.7mm，第二種情況，Pkg1.6mm和PCB 0.7mm，電容100nF、ESR 0.04ohm、ESL 0.63nH。

圖14 電容與測(cè)試點(diǎn)的距離

圖15 不同電容與測(cè)試點(diǎn)的距離|S21|模擬結(jié)果

由模擬結(jié)果得知，當(dāng)因?yàn)榉庋b結(jié)構(gòu)或繞線問(wèn)題，不能把電容放置在噪聲源附近是，我們可以藉由減低Pkg電源層厚度，減少噪聲的影響。

四、結(jié)論

最后，我們對(duì)高速數(shù)字電路如何中抑制噪聲做一總結(jié)。首先，去耦電容的理想位置是放置在Pkg上；ESR增大雖能把極點(diǎn)鏟平，但也會(huì)導(dǎo)致共振頻率深度變淺，電容充放電時(shí)間增大，會(huì)失去降低電源平面阻抗的功能；電容ESL增大會(huì)加快共振點(diǎn)后阻抗上升速度，所以ESL越低越好；電容數(shù)量越多越好，電容墻可以提高隔離效果；電容容值的選擇，需要根據(jù)噪聲頻段來(lái)選擇，盡量不要多容值混用，雖然這樣能增加噪聲抑制的頻寬，但也會(huì)增加共振點(diǎn)數(shù)量，如果噪聲剛好落在共振點(diǎn)上，疊加的效果可能會(huì)更嚴(yán)重；PCB電源平面厚度對(duì)Pkg上的S參數(shù)幾乎沒(méi)有影響，但在低頻，Pkg上板層厚度卻會(huì)影響PCB耦合上來(lái)的噪聲大小，Pkg板層越薄耦合上來(lái)的噪聲越??；高頻部分，主要受封裝影響，Pkg板層越薄，|S21|值越小。