0 引 言
CMOS 技術(shù)的發(fā)展使得芯片的集成度越來(lái)越高，單一芯片所擁有的IO 數(shù)量也越來(lái)越多，當(dāng)這些芯片大量應(yīng)用在高速數(shù)字系統(tǒng)中，同步開(kāi)關(guān)噪聲就顯得非常突出。
同步開(kāi)關(guān)噪聲（SSN）是由IO 輸出緩沖同時(shí)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的，也稱(chēng)作同步開(kāi)關(guān)輸出噪聲(SSO)。產(chǎn)生SSO 的一個(gè)主要原因是電源分配系統(tǒng)（PDS）存在阻抗。具體講就是從電源的輸出端到芯片的輸入端存在著一段距離，在這段路徑上存在著阻抗，從集中模型來(lái)看，相當(dāng)于串聯(lián)了集中分布的電阻和電感元件。當(dāng)一定數(shù)量的CMOS 輸出驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)打開(kāi)時(shí)，就會(huì)有很大的電流瞬間涌入這些感性元件中，這種瞬間快速變化的電流會(huì)在感性元件上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，引起芯片電源輸入端的供給凈電壓不足或過(guò)高。
目前常用的方法是在緊靠芯片的電源輸入端加足夠的退耦電容，可以起到穩(wěn)壓的作用，但是由于電源平面和芯片電源平面沒(méi)有有效的隔離，電源平面上存在的噪聲干擾很容易進(jìn)入到芯片的供電平面上，最終傳導(dǎo)到SSO 上，使得SSO 惡化。本文提出了L 型和π 型LC 濾波電路設(shè)計(jì)方案，可以有效隔離兩個(gè)平面之間的中高頻噪聲干擾，改善SSO 問(wèn)題。下面是詳細(xì)的介紹和分析。
1 L 型LC 電源濾波電路
1.1 L 型LC 電源濾波電路模型及工作原理
L 型LC 濾波電路的等效模型見(jiàn)圖一。整個(gè)等效模型的元件有電感L 和退耦電容C1。電感L 主要作用是扼制電流的跳變，起到穩(wěn)流的作用。退耦電容C1 的主要用于抑制由于SSO引起的電壓的跳變，起到穩(wěn)壓的作用。SSO 可以等效成一個(gè)瞬時(shí)開(kāi)關(guān)的電流源，為了表征最壞的情況，即所有的IO 在同一瞬間一起打開(kāi)，此時(shí)的電流需求就等于芯片在該電壓下的最大工作電流I。
圖一 L 型LC 電源濾波電路
該電路的工作原理就是當(dāng)SSO 同時(shí)開(kāi)啟后，產(chǎn)生電流I 的瞬時(shí)需求，首先由C1 放電維持電壓緩慢變化，同時(shí)通過(guò)電感L 對(duì)電容進(jìn)行充電。通過(guò)這樣反復(fù)的充放電過(guò)程維持芯片輸入端電壓在芯片正常工作電壓的誤差范圍之內(nèi)。從頻譜角度看，LC 構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器，有效隔離了兩個(gè)平面之間的中高頻噪聲。
1.2 L 型LC 電源濾波電路的算法分析
根據(jù)圖一的等效模型可以得到方程組（I）：
方程組（I）化簡(jiǎn)后得到二階微分方程（II）
解微分方程（II）得到特解：
如果電壓V 為常量，將特解（III）帶入二階微分方程（II）解得：
如果輸入電壓V 含有紋波Vn sin(ωnt) ，則求解得：
從（V）可以看到經(jīng)過(guò)LC 濾波電路后，紋波被放大，放大系數(shù)為
。取
放大系數(shù)為
當(dāng)
時(shí)，LC 電路對(duì)電源紋波有抑止作用。
當(dāng)
時(shí)，LC 電路對(duì)紋波有放大作用。其中當(dāng)
時(shí)，LC 電路對(duì)紋波有明顯放大效應(yīng)。
為了避免電源的紋波出現(xiàn)在危險(xiǎn)區(qū)域，一般要求ω >>ωn 0 ，工程中取ω 5ωn 0 = 。此時(shí)在ωn的點(diǎn)，LC 電路對(duì)紋波的放大倍數(shù)為25 / 24 =1.042，放大部分不超過(guò)5%。另外根據(jù)芯片的要求，u2 的壓降不能大于百分比p%，得到不等式（VI）：
化簡(jiǎn)得到不等式（VII）
將ω 5ωn 0 = 和不等式（VII）聯(lián)列得到方程組（VIII）：
求解等到不等式組（IX）：
由于實(shí)際中不存在理想電容，實(shí)際電容具有不同的濾波頻段，退耦電容常采用多種容值電容的組合，C1 就是退耦電容值的總和。L 是電感值的總和。
2 π 型LC 電源濾波電路
2.1 π 型LC 電源濾波電路模型及工作原理
由于電源系統(tǒng)提供的前端輸入電源V 實(shí)際中是一個(gè)變化的值，里面有很多紋波成分，當(dāng)0 0 <ωn < 2ω 時(shí)，LC 電路對(duì)紋波有放大作用，所以產(chǎn)生了L 型LC 濾波電路的改進(jìn)型—π 型LC 電源濾波電路（見(jiàn)圖二）。具體就是在電感前端增加濾波電容，形成π 型。這樣輸入電源首先要經(jīng)過(guò)一級(jí)初級(jí)濾波，然后再進(jìn)入LC 濾波電路，這樣可以有效地改善LC 濾波電路的濾波效果。
圖二 π 型LC 電源濾波電路
2.2 π 型LC 濾波電路算法分析
C2 要選擇一個(gè)合適的值，選擇過(guò)大會(huì)增加成本，過(guò)小會(huì)影響濾波效果，實(shí)踐中取C2＝C1，其構(gòu)成類(lèi)似于二階巴特沃斯濾波器，巴特沃斯濾波器特點(diǎn)是通帶內(nèi)頻率響應(yīng)曲線最平坦，阻帶內(nèi)則逐漸下降為0，這樣可以起到更好的濾波效果。
3 LC 濾波電路的LAYOUT 設(shè)計(jì)
LAYOUT 是LC 濾波電路的重要組成部分，合理的LAYOUT 可以最大限度地體現(xiàn)設(shè)計(jì)效果，反之則會(huì)帶來(lái)額外的干擾。
3.1 π 型LC 濾波電路LAYOUT 設(shè)計(jì)
圖三 π 型LC 電源濾波電路的LAYOUT 效果圖
整個(gè)電路分為三個(gè)網(wǎng)絡(luò)平面：電源平面、芯片電源平面和地平面。為了保證電源連通效果，避免在連通的網(wǎng)絡(luò)上引起額外的壓降，所有網(wǎng)絡(luò)使用敷銅相連接。以π 型LC 濾波電路為例，整個(gè)電路LAYOUT 的效果見(jiàn)圖三。首先通過(guò)過(guò)孔從電源平面上引入供電電流，供電電流經(jīng)過(guò)前級(jí)濾波電容濾波后進(jìn)入電感，經(jīng)過(guò)電感扼流后輸出電流，輸出電流經(jīng)過(guò)后級(jí)退耦電容濾波后通過(guò)過(guò)孔輸送到芯片電源平面。在電源平面換層的時(shí)候要多加過(guò)孔，減小由過(guò)孔引起的感抗。另外獲取電源的區(qū)域和獲取地的區(qū)域相鄰，增加電平的精確性。
3.2 L 型LC 濾波電路LAYOUT 設(shè)計(jì)
L 型LC 濾波電路LAYOUT 設(shè)計(jì)和π 型類(lèi)似，只是少了前級(jí)的濾波電容，電源是通過(guò)過(guò)孔直接進(jìn)入電感進(jìn)行扼流。
結(jié)語(yǔ)
文章提出的改善SSO 的LC 電源濾波電路算法與設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)LC 濾波器對(duì)于中高頻干擾有明顯抑制作用，可以有效改善SSO 問(wèn)題。其缺點(diǎn)在于增加了器件，帶來(lái)成本。另外對(duì)于電流I 特別大的電路不適用，原因是相對(duì)應(yīng)的電感值很小，生產(chǎn)上難實(shí)現(xiàn)。