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IChuitongguoqiyunxinggaibiandianyuandianliu

，shidianyuanganyingdaozaosheng
，jinerkenengganraodianlubenshendeyunxing。xiawenzhongjiangzheyixianxiangchengweidianyuandianyadebodong。dianyuanlvboqiyexuyaojuyouyizhidianyuandianyabodongdezuoyong。

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2-3suoshu，zaidianluyunxingzhong，shuzidianludedianyuanhejiedizhonghuichanshengchangdingxingdedianliu。zhezhongdianliujiangzaoshengganyingdaodianyuan
，shidianyuandianyafashengbodong，daozhidianluwufawendingyunxing。tayehuigengrongyiyinqixinhaoboxinghechanshengzaoshengfangmiandewenti。
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
去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)器(qi)作(zuo)為(wei)臨(lin)時(shi)儲(chu)電(dian)器(qi)吸(xi)收(shou)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)的(de)改(gai)變(bian)
，防(fang)止(zhi)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)波(bo)動(dong)和(he)噪(zao)聲(sheng)的(de)產(chan)生(sheng)。因(yin)為(wei)其(qi)放(fang)置(zhi)在(zai)負(fu)載(zai)附(fu)近(jin)，線(xian)路(lu)阻(zu)抗(kang)造(zao)成(cheng)的(de)影(ying)響(xiang)會(hui)減(jian)少(shao)。從(cong)阻(zu)抗(kang)的(de)角(jiao)度(du)而(er)言(yan)
，這(zhe)種(zhong)運(yun)行(xing)方(fang)式(shi)意(yi)味(wei)著(zhe)源(yuan)阻(zu)抗(kang)降(jiang)低(di)了(le)。
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
congzaoshengyizhidejiaodulaikan
，keyirenweiquoudianrongqixianzhilefuzaihequoudianrongqizhijianxianlubufenfuzaicedianyuanchanshengdegaopindianliu
，congerfangzhilezaoshengchuandaodianyuanxiangengyuandedifang。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MLCCdeqingxing，dianyuandianyadebodongfuduyousuojiangdi，tongshiyexianzhuyizhilezaoshengfashe。zheshiyinweisanduanzidianrongqijuyouzhuanweijiangzaoshejideyoulijiegou。sanduanzidianrongqijiangzaidi6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11nayangjiandandisikaowenti。danshi，zhegemoxingshiyouyongde
，keyizuoweijianghuanluzukangfenjieweigegeyaosudelinian。weiyouxiaodijinliangjiangdihuanluzukang，xuyaojiangdizaizongzukangzhongzhanhendayibufendediangan。





[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
如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)了(le)兩(liang)個(ge)或(huo)更(geng)多(duo)個(ge)電(dian)容(rong)器(qi)
，需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)電(dian)容(rong)器(qi)之(zhi)間(jian)發(fa)生(sheng)的(de)諧(xie)振(zhen)。一(yi)般(ban)而(er)言(yan)，如(ru)果(guo)並(bing)聯(lian)連(lian)接(jie)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)自(zi)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)的(de)多(duo)個(ge)電(dian)容(rong)器(qi)，反(fan)諧(xie)振(zhen)會(hui)導(dao)致(zhi)具(ju)有(you)高(gao)阻(zu)抗(kang)的(de)頻(pin)率(lv)（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

前(qian)已(yi)述(shu)及(ji)，使(shi)用(yong)電(dian)源(yuan)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)目(mu)的(de)在(zai)於(yu)防(fang)止(zhi)噪(zao)聲(sheng)進(jin)入(ru)和(he)傳(chuan)出(chu)。通(tong)常(chang)而(er)言(yan)，濾(lv)波(bo)器(qi)包(bao)括(kuo)電(dian)容(rong)器(qi)和(he)電(dian)感(gan)器(qi)
，它(ta)們(men)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)。圖(tu)2(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 mianqudegenghaodechengxiao。danshi，ruguoshiyongdianganqi
，jiuxuyaozhuyi
，jishinenggoujianshaozaosheng，danquekenengjiajudianyuandianyadebodong。yinci
，ruguoshiyongdianganqiyizhiIC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)suoshijiangdianrongqifangzhizaixianludeliangceyixianzhizaosheng。jinguanzhezhongfangfaxuyaogengduodedianrongqi
，danyouyudianrongqishibinglianlianjiezaixianluzuoceheyouce
，keyijianshaozaoshengganraodefengxian，tongshiyekejiangdihuanluzukang。
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。



ruguozhenduiduocengdianlubanshiyongdianyuanceng，youyuqixianludianganxiao，yinciyouliyuyizhiyuanzukang。danshi，zhijielianjiedianyuanzhongduanhedianyuancenghuidaozhinanyisuoxiaozaoshengchuanbolujingdekuandu
，conger 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。