总结高速数字电路如何抑制噪声
1.pkg与pcb系统
随着人们对数据处理和运算的需求越来越高，电子产品的核心—芯片的工艺尺寸越来越小，工作的频率越来越高，目前处理器的核心频率已达ghz，数字信号更短的上升和下降时间，也带来更高的谐波分量，数字系统是一个高频高宽带的系统。对于一块组装的pcb，无论是pcb本身，还是上面的封装（package，pkg），其几何结构的共振频率也基本落在这一范围。不当的电源供应系统（pds）设计，将引起结构共振，导致电源品质的恶化，造成系统无法正常工作。
此外，由于元器件密度的增高，为降低系统功耗，系统普遍采用低电压低摆幅设计，而低电压信号更容易受到噪声干扰。这些噪声来源很广，如耦合（coupling）、串扰（crosstalk）、电磁辐射（emi）等，但是最大的影响则来自于电源的噪声，特别是同步切换噪声（simultaneous switching noise，ssn）。
通常整个pds系统除了包含电路系统外，也包含电源与地平面形成的电磁场系统。下图是一个电源传输系统的示意图。
图1 典型的电源传输系统示意图
2.pkg与pcb系统的测量
一般在探讨地弹噪声（gbn）时，通常只单纯考虑pcb,且测量其s参数|s21|来表示gbn大小的依据。port1代表ssn激励源的位置，也即pcb上主动ic的位置，而较小的|s21|代表较好的pds设计和较小的gbn。然而一般噪声从ic上产生，通过pkg的电源系统、再通过基板via和封装上的锡球的连接，到达pcb的电源系统（如图1）。所以不能只单纯考虑pcb或pkg，必须把两者结合起来，才能正确描述gbn在高速数字系统中的行为。
为此，我们设计一个pds结构（如图2），来代表pkg安装在pcb上的电源系统。
图2 bga封装安装在pcb上的结构和截面示意图
使用网络分析仪（hp8510c）结合探针台（microtechprobe station）,量测此结构之s参数，从50mhz到5ghz。测量上，使用两个450um-pitch的gs探针，接到pkg信号层的powerring和ground ring上。这个测量结构如图3。
图3 bga封装安装在pcb上的结构测量示意图
pkg+pcb结构量测s参数的结果如图4所示，同时我们也做了单一pkg和 pcb的量测结果，通过对比来了解整个pds系统和单一pkg和pcb之间的差别。
图4 bga封装安装在pcb上的量测结果
从图4的测量结果，我们可以考到三种结构的gbn行为有很大的差异。首先考虑只有单一pkg时的s参数，在1.3ghz之前的行为像一个电容，在1.5ghz后才有共振模态产生；考虑单一pcb，在0.5ghz后就有共振模态产生，像0.73ghz（tm01）、0.92ghz(tm10)、1.17ghz（tm11），其gbn行为比单一pkg更糟。最后，考虑pkg结合pcb，可以看到在1.5ghz之前，比单一pkg多了三个共振点，这些噪声共振来自于pcb，通过锡球、via等耦合到pkg的电源上，这会使pkg里的ic受噪声影响更严重，这跟只考虑单一pkg或pcb时有很大不同。
3.去耦电容对电源噪声的影响
对于电源平面噪声传统的抑制方法是使用那个耦合电容，对于去耦电容的使用已有很多研究，但电容大小、位置、以及个数基本还是基于经验法则。
去耦电容的理想位置
为了研究去耦电容位置pds的影响，我们用上述pkg+pcb结构，分别在pkg和pcb上加去耦电容或两者都加上去耦电容，通过量测|s21|来研究去耦电容的理想摆放位置。
图5 去耦电容安装在pkg和pcb上
如图5所示，我们摆放电容的位置分三种情况，一是在pkg上加52颗，二是在pcb上加63颗，三是在pkg和pcb上同时各放置52和63颗，电容值大小为100nf, esr、esl分别为0.04ohm、0.63nh。量测结果如图6。
图6 加去耦电容于不同位置的|s21|比较图
首先，把低频到5ghz分成三个阶段，首先，开始低频到500mhz左右，不管在pkg或pcb上加去耦电容，相比没有加电容，都可以大大降低结构阻抗，减少gbn干扰。第二，对于0.5ghz～2ghz，在pkg上和同时在pkg与pcb上加去耦电容，对噪声抑制效果差不多。可是如果只在pcb上加电容，可以看到在800mhz附近多了一个共振点，这比没有加电容时更糟。所以我们只在pcb上加电容时要特别注意，可能加上电容后电源噪声更严重。第三，从2ghz～5ghz，三种加电容方式与没加电容相比，效果并不明显，因为此阶段超过了电容本身的共振频率，由于电容esl的影响，随着频率升高，耦合电容逐渐失去作用，对较高频的噪声失去抑制效果。
去耦电容esr的影响
在pkg结合pcb结构上，放置12颗去耦电容，同时改变去耦电容的esr，模拟结果如图7所示。可以发现，当esr值越来越大，会将极点铲平，同时零点也被填平，使s21成为较为平坦的曲线。
图7 去耦电容的esr对|s21|的影响
去耦电容esl的影响
在pkg结合pcb结构上，放置12颗去耦电容，同时改变去耦电容的esl，模拟结果如图8所示。从图中我们发现，esl越大，共振点振幅越大，且有往低频移动的趋势，对噪声的抑制能力越低。
图8 去耦电容的esl对|s21|的影响
去耦电容数量的影响
由前面的结果知道，电容放在封装上效果更好，所以对电容数量的探讨，以在pkg上为主。在前述pkg+pcb的结构上，pkg上电容的放置方式如图9，模拟结果如图10。
图9 封装上电容的放置位置
图10 电容数量对|s21|的影响
从测量结果可知，加4和8颗时，在0～200mhz，能有效压低|s21|，但在400mhz附近产生新的共振点，而把之后的共振点往高频移动。当加入12～52颗后，同样压低低频|s21|，且把400mhz附近的共振点大大消减，高频共振点向高频移动，且振幅大为缩减。
随着电容数量增加，对噪声的抑制更好，从4～8颗的300mhz，提升到1.2ghz（52颗），所以增加电容数量，有助于对提高电源的噪声抑制能力。
去耦电容容值的影响
在pkg和pcb的组合结构上，放置不同容值的电容，模拟结果如图11。
对加入100nf和100pf做比较，0～300mhz间，100n大电容有较好的抑制效果；500～800mhz，100p小电容有较好的效果；而加100n电容，会跟整个系统结构在400mz产生共振；当使用100n+100p，200～600mhz，比单纯使用100n和100p差，而更低频或更高频也没有单一容值好；当使用100n+1n+100p三种容值时，产生了更多共振点，在电子系统中要特别小心，如果电路产生的噪声刚好在共振频率点，则噪声被放大，对信号产生影响或辐射。
所以对电容容值的选择，应根据要抑制的频段来决定，频段决定后根据电容的共振点选择电容，越低的电容esl和esr越好。
图11 混合不同容值电容的模拟结果
板层厚度的影响
首先，固定pcb电源与地平面之间的距离为0.7mm，改变pkg电源层厚度依次为1.6mm、0.8mm、0.4mm、0.15mm,结果如图12所示；当pkg电源层厚度越来越高，第一个零点向低频移动；从前面结论知道，2ghz前的噪声来自pcb，从结果来看pcb耦合上来的噪声也变大了，而2ghz以后主要受封装影响，可以看到|s21|也随厚度而变大，所以pkg电源平面的厚度对s参数影响是很大的。
图12 不同pkg电源层厚度对|s21|的影响
接着，我们固定pkg厚度为0.15mm，分别改变pcb厚度为0.15mm、0.4mm、0.8mm、1.6mm，pcb厚度对s参数的影响结果如图13所示，可以看到pcb电源层厚度对整体趋势影响并不大，只有低频部分少有差异，厚度增加第一个零点小高频移动，高频部分只稍有差异。
图13不同pcb电源层厚度对|s21|的影响
电容摆放距离的影响
我们知道去耦电容的位置距离噪声源越近越好，因为能减少电容到噪声源之间的电感值，让电容更快的吸收突波，降低噪声，达到稳定电压的作用。同样降低电源层厚度能减小电源平面寄生电感，也能起到相同作用。在模拟上我们改变电容在封装上和测试点之间的距离，分别为1.7cm和0.2cm，pkg和pcb电源层厚度分两种情况，第一种pkg 0.15mm和pcb 0.7mm，第二种情况，pkg1.6mm和pcb 0.7mm，电容100nf、esr 0.04ohm、esl 0.63nh。
图14 电容与测试点的距离
图15不同电容与测试点的距离|s21|模拟结果
由模拟结果得知，当因为封装结构或绕线问题，不能把电容放置在噪声源附近是，我们可以藉由减低pkg电源层厚度，减少噪声的影响。
4.结 论
最后，我们对高速数字电路如何中抑制噪声做一总结。首先，去耦电容的理想位置是放置在pkg上；esr增大虽能把极点铲平，但也会导致共振频率深度变浅，电容充放电时间增大，会失去降低电源平面阻抗的功能；电容esl增大会加快共振点后阻抗上升速度，所以esl越低越好；电容数量越多越好，电容墙可以提高隔离效果；电容容值的选择，需要根据噪声频段来选择，尽量不要多容值混用，虽然这样能增加噪声抑制的频宽，但也会增加共振点数量，如果噪声刚好落在共振点上，叠加的效果可能会更严重；pcb电源平面厚度对pkg上的s参数几乎没有影响，但在低频，pkg上板层厚度却会影响pcb耦合上来的噪声大小，pkg板层越薄耦合上来的噪声越小；高频部分，主要受封装影响，pkg板层越薄，|s21|值越小。
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图3 bga封装安装在pcb上的结构测量示意图
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图4 bga封装安装在pcb上的量测结果
从图4的测量结果，我们可以考到三种结构的gbn行为有很大的差异。首先考虑只有单一pkg时的s参数，在1.3ghz之前的行为像一个电容，在1.5ghz后才有共振模态产生；考虑单一pcb，在0.5ghz后就有共振模态产生，像0.73ghz（tm01）、0.92ghz(tm10)、1.17ghz（tm11），其gbn行为比单一pkg更糟。最后，考虑pkg结合pcb，可以看到在1.5ghz之前，比单一pkg多了三个共振点，这些噪声共振来自于pcb，通过锡球、via等耦合到pkg的电源上，这会使pkg里的ic受噪声影响更严重，这跟只考虑单一pkg或pcb时有很大不同。
3.去耦电容对电源噪声的影响
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为了研究去耦电容位置pds的影响，我们用上述pkg+pcb结构，分别在pkg和pcb上加去耦电容或两者都加上去耦电容，通过量测|s21|来研究去耦电容的理想摆放位置。
图5 去耦电容安装在pkg和pcb上
如图5所示，我们摆放电容的位置分三种情况，一是在pkg上加52颗，二是在pcb上加63颗，三是在pkg和pcb上同时各放置52和63颗，电容值大小为100nf, esr、esl分别为0.04ohm、0.63nh。量测结果如图6。
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去耦电容esr的影响
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去耦电容esl的影响
在pkg结合pcb结构上，放置12颗去耦电容，同时改变去耦电容的esl，模拟结果如图8所示。从图中我们发现，esl越大，共振点振幅越大，且有往低频移动的趋势，对噪声的抑制能力越低。
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随着电容数量增加，对噪声的抑制更好，从4～8颗的300mhz，提升到1.2ghz（52颗），所以增加电容数量，有助于对提高电源的噪声抑制能力。
去耦电容容值的影响
在pkg和pcb的组合结构上，放置不同容值的电容，模拟结果如图11。
对加入100nf和100pf做比较，0～300mhz间，100n大电容有较好的抑制效果；500～800mhz，100p小电容有较好的效果；而加100n电容，会跟整个系统结构在400mz产生共振；当使用100n+100p，200～600mhz，比单纯使用100n和100p差，而更低频或更高频也没有单一容值好；当使用100n+1n+100p三种容值时，产生了更多共振点，在电子系统中要特别小心，如果电路产生的噪声刚好在共振频率点，则噪声被放大，对信号产生影响或辐射。
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图11 混合不同容值电容的模拟结果
板层厚度的影响
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图12 不同pkg电源层厚度对|s21|的影响
接着，我们固定pkg厚度为0.15mm，分别改变pcb厚度为0.15mm、0.4mm、0.8mm、1.6mm，pcb厚度对s参数的影响结果如图13所示，可以看到pcb电源层厚度对整体趋势影响并不大，只有低频部分少有差异，厚度增加第一个零点小高频移动，高频部分只稍有差异。
图13不同pcb电源层厚度对|s21|的影响
电容摆放距离的影响
我们知道去耦电容的位置距离噪声源越近越好，因为能减少电容到噪声源之间的电感值，让电容更快的吸收突波，降低噪声，达到稳定电压的作用。同样降低电源层厚度能减小电源平面寄生电感，也能起到相同作用。在模拟上我们改变电容在封装上和测试点之间的距离，分别为1.7cm和0.2cm，pkg和pcb电源层厚度分两种情况，第一种pkg 0.15mm和pcb 0.7mm，第二种情况，pkg1.6mm和pcb 0.7mm，电容100nf、esr 0.04ohm、esl 0.63nh。
图14 电容与测试点的距离
图15不同电容与测试点的距离|s21|模拟结果
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