高速數字電路封裝電源完整性分析

　　從圖4的測量結果，我們可以考到三種結構的GBN行為有很大的差異。首先考慮只有單一Pkg時的S參數，在1.3Ghz之前的行為像一個電容，在1.5Ghz后才有共振模態產生;考慮單一PCB，在0.5Ghz后就有共振模態產生，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結合PCB，可以看到在1.5Ghz之前，比單一Pkg多了三個共振點，這些噪聲共振來自于PCB，通過錫球、Via等耦合到Pkg的電源上，這會使Pkg里的IC受噪聲影響更嚴重，這跟只考慮單一Pkg或PCB時有很大不同。

　　三、去耦電容對電源噪聲的影響

　　對于電源平面噪聲傳統的抑制方法是使用那個耦合電容，對于去耦電容的使用已有很多研究，但電容大小、位置、以及個數基本還是基于經驗法則。

　　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結構，分別在Pkg和PCB上加去耦電容或兩者都加上去耦電容，通過量測|S21|來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。量測結果如圖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分成三個階段，首先，開始低頻到500Mhz左右，不管在Pkg或PCB上加去耦電容，相比沒有加電容，都可以大大降低結構阻抗，減少GBN干擾。第二，對于0.5Ghz～2Ghz，在Pkg上和同時在Pkg與PCB上加去耦電容，對噪聲抑制效果差不多。可是如果只在PCB上加電容，可以看到在800Mhz附近多了一個共振點，這比沒有加電容時更糟。所以我們只在PCB上加電容時要特別注意，可能加上電容后電源噪聲更嚴重。第三，從2Ghz～5Ghz，三種加電容方式與沒加電容相比，效果并不明顯，因為此階段超過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，對較高頻的噪聲失去抑制效果。

　　去耦電容ESR的影響

　　在Pkg結合PCB結構上，放置12顆去耦電容，同時改變去耦電容的ESR，模擬結果如圖7所示。可以發現，當ESR值越來越大，會將極點鏟平，同時零點也被填平，使S21成為較為平坦的曲線。

　　圖7 去耦電容的ESR對|S21|的影響

　　去耦電容ESL的影響

　　在Pkg結合PCB結構上，放置12顆去耦電容，同時改變去耦電容的ESL，模擬結果如圖8所示。從圖中我們發現，ESL越大，共振點振幅越大，且有往低頻移動的趨勢，對噪聲的抑制能力越低。

　　圖8 去耦電容的ESL對|S21|的影響