《電子技術應用》
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去耦电容特性阻抗反谐振点的分析与应用
来源:电子技术应用2013年第9期
马秀荣1,2,孔德升1,2,吴 健1,2
1.天津理工大学 计算机与通信工程学院,通信器件教育部与工程研究中心,天津300384; 2.天津理工大学 薄膜电子与通信器件天津重点实验室,天津300384
摘要: 电源分配网络(PDN)的阻抗在指定频段内要求足够低。两个不同容值的并联去耦电容可以降低PDN的阻抗,但是其等效特性阻抗所产生的反谐振点也会引入到PDN阻抗中,该点可能会超过目标阻抗,所以需要合理地选取去耦电容器,尽可能降低该点阻抗。从并联电容的等效电路模型出发,推导并验证了电容参数与反谐振点频率、反谐振点阻抗的数学模型;随后通过实例将该模型应用于基于目标阻抗的设计方法中,证明了该模型实施的直观性和有效性。
中圖分類號: TN41
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)09-0061-02
Analysis and application of resonance peak on parallel capacitors characteristic impedance
Ma Xiurong1,2,Kong Desheng1,2,Wu Jian1,2
1.Engineering Research Center of Communication Devices Ministry of Education,School of Computer and Communication Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China; 2.Tianjin Key Laboratory of Film Electronic and Communication Devices, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China
Abstract: The impedance of power distribution work need low enough over a specified band. Two bypass capacitors with different values may create resonance peak, unless the capacitor parameters are selected properly. The mathematical model of capacitor parameters with resonance peak’s frequence and impedance is derivated and verified from the equivalent circuit model of parallel capacitors in this paper. This mathematical model is applied in the design method of target impedance-based by example, which proves the implementation of this model is intutive and effective.
Key words : PCB;PDN;decoupling capacitor;characteristic impedance;resonance peak

    隨著印制電路板(PCB)集成度的提高,寄生參數會破壞PCB電源分配網絡(PDN)的穩定性[1],PDN的阻抗ZPDN會產生尖峰(反諧振點),參考文獻[2]通過去耦電容削弱ZPDN的尖峰并將其推移至PCB的非工作頻段,指出了并聯去耦電容的等效特性阻抗會產生反諧振點,且該點不可以大于目標阻抗。參考文獻[3]總結了各種電容器隨著頻率升高,其特性阻抗、有效容值受寄生電阻的影響;參考文獻[4]是從場角度研究電容特性阻抗與寄生參數的關系,參考文獻[5]采用運算放大器來增加電容的有效容值。以上文獻都均未給出寄生參數和去耦電容特性阻抗反諧振點關系的完整模型。

    參考文獻[6]詳細描述了單個電容寄生參數與特性阻抗之間的關系;參考文獻[7-8]從等效電路角度計算出了ZPDN尖峰的頻率位置;參考文獻[9]將PDN等效為微波網絡計算出了ZPDN尖峰的頻率位置;上述文獻中,僅給出了寄生參數變化對反諧振點的影響的仿真圖形,并沒有給出相應數學模型。
    本文主要在參考文獻[6,8]的基礎上,推導并驗證了并聯電容特性阻抗反諧振點與電容寄生參數的數學模型,即合理選取最佳去耦電容來盡可能壓低反諧振點的阻抗,然后在Cadence開發環境中實施了該方法,從而在選取去耦電容器這一環節上給出了重要的理論參考。
1 電容特性阻抗分析
    圖1為并聯電容的等效電路模型[7],阻抗為:
   

 


    本文從并聯電容的等效電路模型出發,推導出電容參數與反諧振點頻率、反諧振點幅度的數學模型,然后將此模型應用到基于目標阻抗的設計中。通過簡單計算,驗證了電容組選取的合理性。此方法簡單直觀,為高速電路設計人員在選擇去耦電容時提供了有價值的參考。
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