電源噪聲

電源噪聲有啥影響，打個(gè)極端的比方，IC的高電平判決門限是1.2V，我的電源噪聲是1.3V，當(dāng)我噪聲傳遞到了這個(gè)IC的時(shí)候，噪聲會(huì)造成誤判決。大部分時(shí)候沒有這么嚴(yán)重，但是噪聲會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

而對(duì)于噪聲抑制，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，并不是等著噪聲出現(xiàn)了之后再去想辦法消除或者是減輕它，做硬件的同學(xué)們應(yīng)該知道，問題出現(xiàn)后再去解決，這樣代價(jià)是非常大的。一般都是在設(shè)計(jì)之初就把各種預(yù)防措施都考慮進(jìn)去，盡可能的規(guī)避掉可能會(huì)發(fā)生的問題，不要幻想著可以試錯(cuò)（這可就是改板了，那都是經(jīng)費(fèi)呀）。

電源噪聲的來源：

1、硬件本身引入的，比如說穩(wěn)壓電源的紋波，當(dāng)前穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關(guān)電源，線性電源的紋波較小，開關(guān)電源的紋波較大，對(duì)于電源噪聲敏感的電路一般不建議使用開關(guān)電源（不過隨著技術(shù)的提升感覺現(xiàn)在開關(guān)電源紋波也能做的很小了）；

2、電源無法實(shí)時(shí)的響應(yīng)負(fù)載電流需求，一般電源依據(jù)負(fù)載的功耗需求需要實(shí)時(shí)的對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)整，否則當(dāng)負(fù)載功耗增大的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致電源輸出電壓被拉低。但是對(duì)于電源本身，是有一個(gè)調(diào)整響應(yīng)時(shí)間的，一般是us級(jí)，所以，當(dāng)負(fù)載電流瞬態(tài)變化頻率超過這一范圍的時(shí)候，穩(wěn)壓電源無法及時(shí)響應(yīng)，就會(huì)造成鏈路上電壓出現(xiàn)跌落，這也是電源噪聲的一種；

3、板上壓降，有路徑的地方就有阻抗，有負(fù)載就會(huì)有電流，有電流有阻抗就會(huì)有壓降。加上PCB上的各種寄生參數(shù)，寄生電感和寄生電容對(duì)頻率敏感，而負(fù)載功耗一般也是動(dòng)態(tài)變化的，具有交流特性，兩者一結(jié)合就造成的負(fù)載端電壓的波動(dòng)，由阻抗產(chǎn)生的噪聲，也是電源噪聲的一種；

4、PCB層間噪聲，PCB是有多層的，信號(hào)在傳輸穿過不同平面的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生返回信號(hào)，信號(hào)有時(shí)候來不及通過去耦電容進(jìn)行換層，就只能通過耦合的方式進(jìn)行換層，對(duì)于不同的平面來說就相當(dāng)于電容在進(jìn)行充放電，引起局部噪聲（實(shí)際上，通過去耦電容一樣會(huì)有噪聲，后面會(huì)講到）。

電容去耦原理

實(shí)際電路中，我們會(huì)看到芯片周圍布滿了電容，這些電容稱為去耦電容，為當(dāng)前硬件設(shè)計(jì)中解決噪聲問題的主要方式。我們可以通過下面兩種方式來對(duì)電容去耦有個(gè)初步的理解。

1、阻抗角度

可以通過一張圖來理解：

首先，我們對(duì)PDN的要求就是不論負(fù)載端瞬態(tài)電流如何變化，都得保證負(fù)載兩端電壓的穩(wěn)定，負(fù)載端電壓的變化要盡可能的小。依據(jù)等效電路，可以得到△U=Z*△I（此時(shí)電源為理想電源，阻抗都由Z來等效了，理想電源輸出的電壓是恒定的，那么z與負(fù)載就會(huì)形成一個(gè)分壓效果，進(jìn)而影響負(fù)載兩端電壓的穩(wěn)定）。由于瞬態(tài)電流是動(dòng)態(tài)的，有交流特性，而去耦電容剛好在交流條件下表現(xiàn)為低阻抗（再極端點(diǎn)，因?yàn)殡娮璨⒙?lián)阻抗會(huì)減小，也就是電容并的越多，等效阻抗就越小），即去耦電容能夠減小Z，進(jìn)而減小電源噪聲。

2、儲(chǔ)能角度

同樣可以通過一張圖來理解：

上圖可以看到，負(fù)載相當(dāng)于同時(shí)由電源和電容進(jìn)行供電，當(dāng)負(fù)載電流穩(wěn)定的時(shí)候，I2為0，負(fù)載由電源進(jìn)行供電，并且電容電壓等于電源供電電壓，此時(shí)電容是存儲(chǔ)滿了電量的，當(dāng)負(fù)載電流變化的時(shí)候，由于電源存在響應(yīng)時(shí)間，無法立即響應(yīng)負(fù)載電流的變化，因此負(fù)載端電壓會(huì)下降，此時(shí)電容感受到負(fù)載端電壓的變化，此時(shí)電容開始放電，I2不再為0，開始為負(fù)載供電，而I=C*dV/dt，當(dāng)電容的C足夠大的時(shí)候，只需要很小的dV就能夠提供很大的電流，用以滿足負(fù)載變化的需求，進(jìn)而控制負(fù)載端電壓變化不至于過大。

電容阻抗特性

電容簡化模型如下：

ESR一般為電極，電解質(zhì)的等效電阻，C為電容的容值，ESL為電極和端子的等效電感。

因此一個(gè)電容的特性阻抗Z可以表示為：

Z=ESR+j2πfESL+1/j2πfC=ESR+j(2πfESL- 1/2πfC)

當(dāng)頻率很低的時(shí)候，2πfESL遠(yuǎn)小于1/2πfC，電流超前于電壓，電容的阻抗隨頻率增加而減小，電容呈現(xiàn)容性；當(dāng)頻率很高的時(shí)候，2πfESL大于1/2πfC，電流滯后于電壓，電容的阻抗隨頻率增加而增大，電容呈現(xiàn)感性；2πfESL=1/2πfC，f= 1/(2π√(ESLC))，電容呈現(xiàn)純電阻特性，此時(shí)電容阻抗最小，該頻率點(diǎn)也稱為電容的自諧振頻率。因此，去耦電容實(shí)際上都有一定的工作頻率范圍，只有在這個(gè)范圍內(nèi)，去耦電容的去耦效果才比較好。

復(fù)阻抗概念

Z=R+jX=R+j(XL-XC)

當(dāng)X>0時(shí)，XL>XC，電壓超前于電流，電路呈感性；

當(dāng)X<0時(shí)，XL<XC，電壓滯后于電流，電路呈容性；

當(dāng)X=0時(shí)，XL=XC，電壓與電流同相，電路呈純阻性。
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