信号完整性研究:何时会遇到信号完整性问题
多年前,在我开始研究信号完整性问题时也曾经有过这样的疑问,随着对信号完整性理解的深入,便没有再仔细考虑。后来在产品开发过程中,朋友、同事经常向我提出这一问题。有些公司制作复杂电路板时,硬件总也调不通,于是找到我,当我解决了问题,并告诉他们,原因就在于没有处理好信号完整性设计,负责开发的硬件工程师也会提出同样的问题。他们通常的说法是:高速电路中会有问题,可是什么情况下必须进行专门的信号完整性设计?
不断的有人问我,我不得不作更深入的思考。说实话,这个问题很难回答,或者说他们这种问法很难回答。他们的意思可以解释为,速度高了就要考虑信号完整性,低速板不存在这个问题,那总要有个临界频率,这个频率是多少?有人曾提出过这样的论点,当外部总线频率超过80MHz时,就要进行专门的分析设计,低于这一频率,不用考虑信号完整性问题。对这一论点,我不敢苟同。仔细分析,他们这种问法的背后是对信号完整性的一种误解。
如果必须有一个答案的话,我想答案应该是:只要信号畸变到了无法容忍的程度就要考虑信号完整性问题。呵呵,看起来像是在胡说八道,不过这确实是能找到的最好的答案了。
要想弄清这个问题,必须先了解信号完整性的实质到底是什么。产生信号完整性的原因很多,频率(值得推敲,暂且借用提问者的说法)只不过是其中的一个而已,怎么能单单用频率来强行地划分界线!顺便说一句,很多人说频率的影响,其实这个词很值得推敲。频率到底指的是哪个部分的频率?电路板上有主时钟频率,芯片内部主频,外部总线带宽,数字信号波形带宽,电磁辐射频率,影响信号完整性的频率到底指的是哪一个?问题根源在于信号上升时间。如果你不是很理解,可以到于博士信号完整性研究网学习。
信号完整性最原始的含义应该是:信号是否能保持其应该具有的波形。很多因素都会导致信号波形的畸变,如果畸变较小,对于电路板不会产生影响,可是如果畸变很大,就可能影响电路的功能。系统频率(芯片内部主频以及外部频率)、电磁干扰、电源波纹噪声,数字器件开关噪声、系统热噪声等都会对信号产生影响,频率并不具有特殊的地位,你不能把所有的注意力都放在频率这个因素上。
那么这里又会出现另一个问题,波形畸变多大,会对电路板功能产生影响。这没有确定统一的指标,和具体应用以及电路板的其他电气指标有关。对于数字信号而言,对畸变的容忍度较大。能有多大的容忍度,还要考虑电路板上的电源系统供电电压波纹有多大,系统的噪声余量有多大,所用器件对于信号建立时间和保持时间的要求是多少等等。对于模拟信号,相对比较敏感,容忍度较小,至于能容忍多大的畸变,和系统噪声,器件非线性特性,电源质量等等有关。
是不是听起来很晦涩!确实,要说清楚这个问题并不容易,因为牵扯到了太多的因素在内。下面这个数字信号波形的例子能让你有一个简单直观的理解。

这是一个受反射影响的方波数字信号,波形的畸变仅仅是反射的结果,没有迭加其他噪声。假设低电平逻辑小于0.7v,高电平大于2v。对于高电平来说,震荡的低谷部分可能会冲到2v以下,此时电路处于不定态,可能引起电路误动作。所以,迭加在高电平上的波纹幅度不能太大。由于电路存在噪声,电源也有波纹,这些最终都会迭加到信号波形上,所以你计算波纹幅度的时候要考虑这些因素,而这些因素和你的电路板其他部分设计有关。所以你无法确定一个统一的畸变标准,只能根据你具体电路的设计和应用综合考虑。最终的原则只有一个:通过信号完整性设计、电源完整完整性设计等手段,将总的信号畸变控制在一定范围内,保证电路板正常稳定工作。
工程中,解决信号完整性的问题是一个系统的工程,并不是一两种方法就可以包打天下的。什么时候会碰到信号完整性问题也不是可以硬性的划一道线来区分,一句话,要根据你的实际情况来定。
可能你会感觉,这么多不确定的因素,还怎么在最初设计的时候考虑信号完整性问题?嗯,没问题的,其实对于所有影响信号质量的因素,你都可以通过一定的设计技术来控制。对于电源波纹问题,那是电源完整性的问题,又是一个系统的工程。而其他的电磁干扰,电磁兼容等则是另外一个系统工程。
总之,信号完整性问题涉及的知识较多,是一个跨学科的知识体系。网上关于信号完整性基础知识讲解很多,但很少有讲得很深入的。要想学好信号完整性,你需要有一定的精力投入,但可以告诉你,只要掌握学习方法,其实不难。一旦你学好它,回报是非常高的,毕竟这方面的人才现在是奇缺阿,很多公司给信号完整性工程师开价都在25W以上,如果你很牛的话,呵呵,决不是这个价。
好了,废话就不多说了。对于信号完整性技术问题,我会在于博士信号完整性研究网的博士讲坛栏目进行深入探讨。信号完整性研究:什么是信号完整性?
如果你发现,以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了,同样的设计,以前没问题,可是现在却无法工作,那么恭喜你,你碰到了硬件设计中最核心的问题:信号完整性。早一天遇到,对你来说是好事。
在过去的低速时代,电平跳变时信号上升时间较长,通常几个ns。器件间的互连线不至于影响电路的功能,没必要关心信号完整性问题。但在今天的高速时代,随着IC输出开关速度的提高,很多都在皮秒级,不管信号周期如何,几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。另外,对低功耗追求使得内核电压越来越低,1.2v内核电压已经很常见了。因此系统能容忍的噪声余量越来越小,这也使得信号完整性问题更加突出。
广义上讲,信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题,它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后,如何影响到产品性能的问题。主要表现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。
信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。即使布线拓扑结构没有变化,如果采用了信号上升时间很小的IC芯片,现有设计也将处于临界状态或者停止工作。
下面谈谈几种常见的信号完整性问题。
反射:
图1显示了信号反射引起的波形畸变。看起来就像振铃,拿出你制作的电路板,测一测各种信号,比如时钟输出或是高速数据线输出,看看是不是存在这种波形。如果有,那么你该对信号完整性问题有个感性的认识了,对,这就是一种信号完整性问题。

很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻,至于为什么,他们中很多人都说不清楚,他们会说,很多成熟设计上都有,照着做的。或许你知道,可是确实很多人说不清这个小小电阻的作用,包括很多有了三四年经验的硬件工程师,很惊讶么?可这确实是事实,我碰到过很多。其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。而且随着电阻的加大,振铃会消失,但你会发现信号上升沿不再那么陡峭了。这个解决方法叫阻抗匹配,奥,对了,一定要注意阻抗匹配,阻抗在信号完整性问题中占据着极其重要的地位。
串扰:
如果足够细心你会发现,有时对于某根信号线,从功能上来说并没有输出信号,但测量时,会有幅度很小的规则波形,就像有信号输出。这时你测量一下与它邻近的信号线,看看是不是有某种相似的规律!对,如果两根信号线靠的很近的话,通常会的。这就是串扰。当然,被串扰影响的信号线上的波形不一定和邻近信号波形相似,也不一定有明显的规律,更多的是表现为噪声形式。串扰在当今的高密度电路板中一直是个让人头疼的问题,由于布线空间小,信号必然靠得很近,因此你比须面对它,只能控制但无法消除。对于受到串扰的信号线,邻近信号的干扰对他来说就相当于噪声。
串扰大小和电路板上的很多因素有关,并不是仅仅因为两根信号线间的距离。当然,距离最容易控制,也是最常用的解决串扰的方法,但不是唯一方法。这也是很多工程师容易误解的地方。更深入的讨论,我会在后续文章中陆续推出,如果你感兴趣,可以常来于博士信号完整性研究网http://www.sig007.com,关注博士讲坛栏目。
轨道塌陷:
噪声不仅存在于信号网络中,电源分配系统也存在。我们知道,电源和地之间电流流经路径上不可避免存在阻抗,除非你能让电路板上的所有东西都变成超导体。那么,当电流变化时,不可避免产生压降,因此,真正送到芯片电源管脚上的电压会减小,有时减小得很厉害,就像电压突然产生了塌陷,这就是轨道塌陷。轨道塌陷有时会产生致命的问题,很可能影响你的电路板的功能。高性能处理器集成的门数越来越多,开关速度也越来越快,在更短的时间内消耗更多的开关电流,可以容忍的噪声变得越来越小。但同时控制噪声越来越难,因为高性能处理器对电源系统的苛刻要求,构建更低阻抗的电源分配系统变得越来越困难。你可能注意到了,又是阻抗,理解阻抗是理解信号完整性问题的关键。
信号完整性问题涉及面比较广,这里只是简单介绍几种现象,希望这篇文章能让你对信号完整性有个初步的认识。信号完整性,将是每个硬件工程师的必修课。早一天接触,早一天受益。电源完整性:电容的去耦时间
电容的去耦时间
在电源完整性设计一文中,推荐了一种基于目标阻抗(target impedance)的去耦电容设计方法。在这种方法中,从频域的角度说明了电容选择方法。把瞬态电流看成阶跃信号,因而有很宽的频谱,去耦电容必须在这个很宽的频谱内使电源系统阻抗低于目标阻抗(target impedance)。电容的选择是分频段设计的,每一种容值的电容负责一段频谱范围,超出这个范围的,由其他电容负责构成低阻抗路径。
有些人可能对这种频域方法有些困惑,本文从另外一个更直观的角度来说明去耦电容的这种特性,即电容的去耦时间。
构成电源系统的两个重要部分:稳压电源、去耦电容。首先说说稳压电源的反应时间。负载芯片的电流需求变化是极快的,尤其是一些高速处理器。内部晶体管开关速度极快,假设处理器内部有1000个晶体管同时发生状态翻转,转台转换时间是1ns,总电流需求是500mA。那么此时电源系统必须在1ns时间内迅速补充上500mA瞬态电流。遗憾的是,稳压源在这么短的时间内反应不过来,相对于电流的变化,稳压源显得很迟钝,有点像个傻子,呵呵。通常说的稳压源的频率响应范围在直流到几百k之间,什么意思?这从时域角度可能更好理解。假设稳压源的频率响应范围是直流到100kHz,100kHz对应时域的10us时间间隔。也就是稳压源最快的响应速度是10us,如果负载芯片要求在20 us内提供所需的电流,那么稳压电源有足够的反应时间,因此可以提供负载所需要的电流。但是如果负载电流要求的时间是1ns的话,对稳压电源来说太快了,稳压源还在那发呆呢,瞬态电流的需求已经过去了。负载可不会等着稳压源来做出反应,不能给它及时提供电流,他就把电压拉下来,想想,功率一定,电流大了,电压必然减小。哦,这就产生了轨道塌陷,噪声产生了。因此,所说的频率响应范围,在时域对应的是一个响应时间问题。
电容也同样存在响应时间。电源要10us才能反应过来,那从0到10us之间这段时间怎么办?这就是电容要干的事。按电源完整性设计一文中,加入一个31.831uF电容,能提供100kHz到1.6MHz频段的去耦。从时域来说,这个电容的最快反应时间是1/1.6MHz=0.625us。也就是说从0.625us到10us这段时间,这个电容就可以提供所需电流。稳压电源发呆就发呆吧,别指望它了,电容先顶上,过10us后再让稳压源把活接过来。从0.625us到10us这段时间就是电容的有效去耦时间。
加一个电容后,电源系统的反应时间还是很长,625ns,还是不能满足要求,那就再加电容,放一些很小的电容,比如13个0.22uF电容,提供1.6MHz到100MHz的去耦,那么这13个小电容最快反应时间为1/100MHz=1ns。如果有电流需求,1ns后这些小电容就做出反应了。
通常这个反应时间还不够,那就在加一些更小的电容,把去耦频率提到500MHz,反应时间可以加快到200ps,一般来说足够了。不同电容产生去耦作用,都需要一定的时间,这就是去耦时间。不同的去耦时间对应不同的有效去耦频率段,这就是为什么去耦电容要分频段设计的原因。
这里给出的是一个直观的解释,目的是让你有一个感性的理解。
有一点要特别注意,从信号的角度来说,瞬态电流有很宽的带宽,要想很好的满足电流需求,必须在他的整个带宽范围内都提供去耦,才能满足波形的要求。不要认为稳压源反应慢,就认为它没干活,这是不对的,稳压源对瞬态电流中的低频成分还是起作用的。电流由很多频率成分组成,稳压源、大电容、小电容、更小的电容分别负责补偿瞬态电流中不同频率的部分,这些作用合成在一起,才能产生一个类似阶跃信号的补偿电流。电源系统设计要物尽其用,稳压源、大电容、小电容、更小的电容各司其职,协同工作,这个团队能否很好的合作,就看你的管理能力了。
努力学习,做好的管理者,别光想着管理这些电容啊,呵呵!不过对技术出身的我们,先管好这些无生命的东西,打好基础才行啊。于博士祝大家尽快迈过技术这道门槛,有时间多来我的网站看看,早日走上事业快车道。
电源完整性设计(17)结束语
结束语
电源系统去耦设计要把引脚去耦和电源平面去耦结合使用已达到最优设计。时钟、PLL、DLL等去耦设计要使用引脚去耦,必要时还要加滤波网络,模拟电源部分还要使用磁珠等进行滤波。针对具体应用选择退耦电容的方法也很流行,如在电路板上发现某个频率的干扰较大,就要专门针对这一频率选择合适的电容,改进系统设计。总之,电源系统的设计和具体应用密切相关,不存在放之四海皆准的具体方案。关键是掌握基本的设计方法,具体情况具体分析,才能很好的解决电源去耦问题。
电源完整性设计(16)电容的安装方法
电容的安装方法
电容的摆放
对于电容的安装,首先要提到的就是安装距离。容值最小的电容,有最高的谐振频率,去耦半径最小,因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距离稍远,最外层放置容值最大的。但是,所有对该芯片去耦的电容都尽量靠近芯片。下面的图14就是一个摆放位置的例子。本例中的电容等级大致遵循10倍等级关系。

图14 电容摆放位置示例
还有一点要注意,在放置时,最好均匀分布在芯片的四周,对每一个容值等级都要这样。通常芯片在设计的时候就考虑到了电源和地引脚的排列位置,一般都是均匀分布在芯片的四个边上的。因此,电压扰动在芯片的四周都存在,去耦也必须对整个芯片所在区域均匀去耦。如果把上图中的680pF电容都放在芯片的上部,由于存在去耦半径问题,那么就不能对芯片下部的电压扰动很好的去耦。
电容的安装
在安装电容时,要从焊盘拉出一小段引出线,然后通过过孔和电源平面连接,接地端也是同样。这样流经电容的电流回路为:电源平面->过孔->引出线->焊盘->电容->焊盘->引出线->过孔->地平面,图15直观的显示了电流的回流路径。

图15 流经电容的电流回路
放置过孔的基本原则就是让这一环路面积最小,进而使总的寄生电感最小。图16显示了几种过孔放置方法。

图16 高频电容过孔放置方法
第一种方法从焊盘引出很长的引出线然后连接过孔,这会引入很大的寄生电感,一定要避免这样做,这时最糟糕的安装方式。
第二种方法在焊盘的两个端点紧邻焊盘打孔,比第一种方法路面积小得多,寄生电感也较小,可以接受。
第三种在焊盘侧面打孔,进一步减小了回路面积,寄生电感比第二种更小,是比较好的方法。
第四种在焊盘两侧都打孔,和第三种方法相比,相当于电容每一端都是通过过孔的并联接入电源平面和地平面,比第三种寄生电感更小,只要空间允许,尽量用这种方法。
最后一种方法在焊盘上直接打孔,寄生电感最小,但是焊接是可能会出现问题,是否使用要看加工能力和方式。
推荐使用第三种和第四种方法。
需要强调一点:有些工程师为了节省空间,有时让多个电容使用公共过孔。任何情况下都不要这样做。最好想办法优化电容组合的设计,减少电容数量。
由于印制线越宽,电感越小,从焊盘到过孔的引出线尽量加宽,如果可能,尽量和焊盘宽度相同。这样即使是0402封装的电容,你也可以使用20mil宽的引出线。引出线和过孔安装如图17所示,注意图中的各种尺寸。

图17 推荐的高频电容过孔放置方法
对于大尺寸的电容,比如板级滤波所用的钽电容,推荐用图18中的安装方法。

图18 低频大电容过孔放置
电源完整性设计(15)电容的去耦半径
电容的去耦半径
电容去耦的一个重要问题是电容的去耦半径。大多数资料中都会提到电容摆放要尽量靠近芯片,多数资料都是从减小回路电感的角度来谈这个摆放距离问题。确实,减小电感是一个重要原因,但是还有一个重要的原因大多数资料都没有提及,那就是电容去耦半径问题。如果电容摆放离芯片过远,超出了它的去耦半径,电容将失去它的去耦的作用。
理解去耦半径最好的办法就是考察噪声源和电容补偿电流之间的相位关系。当芯片对电流的需求发生变化时,会在电源平面的一个很小的局部区域内产生电压扰动,电容要补偿这一电流(或电压),就必须先感知到这个电压扰动。信号在介质中传播需要一定的时间,因此从发生局部电压扰动到电容感知到这一扰动之间有一个时间延迟。同样,电容的补偿电流到达扰动区也需要一个延迟。因此必然造成噪声源和电容补偿电流之间的相位上的不一致。
特定的电容,对与它自谐振频率相同的噪声补偿效果最好,我们以这个频率来衡量这种相位关系。设自谐振频率为f,对应波长为
,补偿电流表达式可写为:
其中,A是电流幅度,R为需要补偿的区域到电容的距离,C为信号传播速度。
当扰动区到电容的距离达到
时,补偿电流的相位为
,和噪声源相位刚好差180度,即完全反相。此时补偿电流不再起作用,去耦作用失效,补偿的能量无法及时送达。为了能有效传递补偿能量,应使噪声源和补偿电流的相位差尽可能的小,最好是同相位的。距离越近,相位差越小,补偿能量传递越多,如果距离为0,则补偿能量百分之百传递到扰动区。这就要求噪声源距离电容尽可能的近,要远小于
。实际应用中,这一距离最好控制在
之间,这是一个经验数据。
例如:0.001uF陶瓷电容,如果安装到电路板上后总的寄生电感为1.6nH,那么其安装后的谐振频率为125.8MHz,谐振周期为7.95ps。假设信号在电路板上的传播速度为166ps/inch,则波长为47.9英寸。电容去耦半径为47.9/50=0.958英寸,大约等于2.4厘米。
本例中的电容只能对它周围2.4厘米范围内的电源噪声进行补偿,即它的去耦半径2.4厘米。不同的电容,谐振频率不同,去耦半径也不同。对于大电容,因为其谐振频率很低,对应的波长非常长,因而去耦半径很大,这也是为什么我们不太关注大电容在电路板上放置位置的原因。对于小电容,因去耦半径很小,应尽可能的靠近需要去耦的芯片,这正是大多数资料上都会反复强调的,小电容要尽可能近的靠近芯片放置。
电源完整性设计(14)怎样合理选择电容组合
怎样合理选择电容组合
前面我们提到过,瞬态电流的变化相当于阶跃信号,具有很宽的频谱。因而,要对这一电流需求补偿,就必须在很宽的频率范围内提供足够低的电源阻抗。但是,不同电容的有效频率范围不同,这和电容的谐振频率有关(严格来说应该是安装后的谐振频率),有效频率范围(电容能提供足够低阻抗的频率范围)是谐振点附近一小段频率。因此要在很宽的频率范围内提供足够低的电源阻抗,就需要很多不同电容的组合。
你可能会说,只用一个容值,只要并联电容数量足够多,也能达到同样低的阻抗。的确如此,但是在实际应用中你可以算一下,多数时候,所需要的电容数量很大。真要这样做的话,可能你的电路板上密密麻麻的全是电容。既不专业,也没必要。
选择电容组合,要考虑的问题很多,比如选什么封装、什么材质、多大的容值、容值的间隔多大、主时钟频率及其各次谐波频率是多少、信号上升时间等等,这需要根据具体的设计来专门设计。
通常,用钽电容或电解电容来进行板级低频段去耦。电容量的计算方法前面讲过了,需要提醒一点的是,最好用几个或多个电容并联以减小等效串联电感。这两种电容的Q值很低,频率选择性不强,非常适合板级滤波。
高频小电容的选择有些麻烦,需要分频段计算。可以把需要去耦的频率范围分成几段,每一段单独计算,用多个相同容值电容并联达到阻抗要求,不同频段选择的不同的电容值。但这种方法中,频率段的划分要根据计算的结果不断调整。
一般划分3到4个频段就可以了,这样需要3到4个容值等级。实际上,选择的容值等级越多,阻抗特性越平坦,但是没必要用非常多的容值等级,阻抗的平坦当然好,但是我们的最终目标是总阻抗小于目标阻抗,只要能满足这个要求就行。
在某个等级中到底选择那个容值,还要看系统时钟频率。前面讲过,电容的并联存在反谐振,设计时要注意,尽量不要让时钟频率的各次谐波落在反谐振频率附近。比如在零点几微法等级上选择0.47、0.22、0.1还是其他值,要计算以下安装后的谐振频率再来定。
还有一点要注意,容值的等级不要超过10倍。比如你可以选类似0.1、0.01 、0.001这样的组合。因为这样可以有效控制反谐振点阻抗的幅度,间隔太大,会使反谐振点阻抗很大。当然这不是绝对的,最好用软件看一下,最终目标是反谐振点阻抗能满足要求。
高频小电容的选择,要想得到最优组合,是一个反复迭代寻找最优解的过程。最好的办法就是先粗略计算一下大致的组合,然后用电源完整性仿真软件做仿真,再做局部调整,能满足目标阻抗要求即可,这样直观方便,而且控制反谐振点比较容易。而且可以把电源平面的电容也加进来,联合设计。
图13是一个电容组合的例子。这个组合中使用的电容为:2个680uF钽电容,7个2.2uF陶瓷电容(0805封装),13个0.22uF陶瓷电容(0603封装),26个0.022uF陶瓷电容(0402封装)。图中,上部平坦的曲线是680uF电容的阻抗曲线,其他三个容值的曲线为图中的三个V字型曲线,从左到右一次为2.2uF、0.22uF、0.022uF。总的阻抗曲线为图中底部的粗包络线。
这个组合实现了在500kHz到150MHz范围内保持电源阻抗在33毫欧以下。到500MHz频率点处,阻抗上升到110毫欧。从图中可见,反谐振点的阻抗控制得很低。

图13 设计实例
小电容的介质一般常规设计中都选则陶瓷电容。NP0介质电容的ESR要低得多,对于有更严格阻抗控制的局部可以使用,但是注意这种电容的Q值很高,可能引起严重的高频振铃,使用时要注意。
封装的选择,只要加工能力允许,当然越小越好,这样可以得到更低的ESL,也可以留出更多的布线空间。但不同封装,电容谐振频率点不同,容值范围也不同,可能影响到最终的电容数量。因此,电容封装尺寸、容值要联合考虑。总之最终目标是,用最少的电容达到目标阻抗要求,减轻安装和布线的压力。
电源完整性设计(13)ESR对反谐振的影响
ESR对反谐振(Anti-Resonance)的影响
Anti-Resonance 给电源去耦带来麻烦,但幸运的是,实际情况不会像图12显示的那么糟糕。
实际电容除了LC之外,还存在等效串联电阻ESR。
因此,反谐振点处的阻抗也不会是无限大的。实际上,可以通过计算得到反谐振点处的阻抗为

现代工艺生产的贴片电容,等效串联阻抗很低,因此就有办法控制电容并联去耦时反谐振点处的阻抗。
等效串联电阻ESR使整个电源分配系统的阻抗特性趋于平坦。
其中,X为反谐振点处单个电容的阻抗虚部(均相等)。
电源完整性设计(12)不同容值电容的并联
不同容值电容的并联与反谐振(Anti-Resonance)
容值不同的电容具有不同的谐振点。图11画出了两个电容阻抗随频率变化的曲线。

图11 两个不同电容的阻抗曲线
左边谐振点之前,两个电容都呈容性,右边谐振点后,两个电容都呈感性。在两个谐振点之间,阻抗曲线交叉,在交叉点处,左边曲线代表的电容呈感性,而右边曲线代表的电容呈容性,此时相当于LC并联电路。对于LC并联电路来说,当L和C上的电抗相等时,发生并联谐振。因此,两条曲线的交叉点处会发生并联谐振,这就是反谐振效应,该频率点为反谐振点。

图12 不同容值电容并联后阻抗曲线
两个容值不同的电容并联后,阻抗曲线如图12所示。从图12中我们可以得出两个结论:
a 不同容值的电容并联,其阻抗特性曲线的底部要比图10阻抗曲线的底部平坦得多(虽然存在反谐振点,有一个阻抗尖峰),因而能更有效地在很宽的频率范围内减小阻抗。
b 在反谐振(Anti-Resonance)点处,并联电容的阻抗值无限大,高于两个电容任何一个单独作用时的阻抗。并联谐振或反谐振现象是使用并联去耦方法的不足之处。
在并联电容去耦的电路中,虽然大多数频率值的噪声或信号都能在电源系统中找到低阻抗回流路径,但是对于那些频率值接近反谐振点的,由于电源系统表现出的高阻抗,使得这部分噪声或信号能量无法在电源分配系统中找到回流路径,最终会从PCB上发射出去(空气也是一种介质,波阻抗只有几百欧姆),从而在反谐振频率点处产生严重的EMI问题。因此,并联电容去耦的电源分配系统一个重要的问题就是:合理的选择电容,尽可能的压低反谐振点处的阻抗。
电源完整性设计(11)相同容值电容的并联
相同容值电容的并联
使用很多电容并联能有效地减小阻抗。63个0.0316 uF的小电容(每个电容ESL为1 nH)并联的效果相当于一个具有0.159 nH ESL的1.9908 uF电容。

图10 多个等值电容并联
单个电容及并联电容的阻抗特性如图10所示。并联后仍有相同的谐振频率,但是并联电容在每一个频率点上的阻抗都小于单个电容。
但是,从图中我们看到,阻抗曲线呈V字型,随着频率偏离谐振点,其阻抗仍然上升的很快。要在很宽的频率范围内满足目标阻抗要求,需要并联大量的同值电容。这不是一种好的方法,造成极大地浪费。有些人喜欢在电路板上放置很多0.1uF电容,如果你设计的电路工作频率很高,信号变化很快,那就不要这样做,最好使用不同容值的组合来构成相对平坦的阻抗曲线。