【導讀】在考慮配電網(PDN)阻抗與同時開關噪聲(SSN)和電磁兼容性(EMC)的關系時，了解去耦合的影響至關重要。如果一個PCB的功率完整性或去耦合特性較差，例如高PDN阻抗， 就會產生SSN和EMC問題。本文將通過實際案例，來證實PCB的PDN阻抗、SSN和EMC之間的關系。
分析和結果
測試的原型為下面兩個版本：一個由晶體振蕩器提供外部50MHz參考的FPGA；三個主要接口：350MHz時鐘速率的DDR2 SDRAM、150MHz的ADC數據總線和100MHz 的以太網。所有這些元器件都由1.8V降壓轉換器供電。通過表1中列出的測試案例，可以了解去耦合(包括PCB疊層和電容器)對SSN和EMC的影響。
在測試案例1中，原型PCB包括四個信號層和一個接地層，有16個0.1μF去耦合電容器連接到PCB上FPGA的+1.8V電源引腳。在測試案例2中，原型PCB包括四個信號層和三個接地層，有25個0.1μF去耦合電容器連接到PCB 上FPGA的+1.8V電源引腳。
表1. 研究PCB去耦合對SSN和EMC影響的測試案例。
由圖1的PDN阻抗曲線可以看出( 使用Mentor Graphic Hyperlynx軟件對布局后期的功率完整性進行分析)，相比測試案例1，測試案例2的電力網有更好的去耦合條件，因而在寬帶范圍內有更低的阻抗。0.1μF的電容器在中低頻段（< 400MHz）會產生影響。另外，接地層的平面電容在頻率高于400MHz時會產生影響。與測試案例1相比， 測試案例2有更多的去耦合電容器和接地層，因而具有更低的PDN阻抗。
圖 1. PDN 阻抗圖
然后，對兩個測試案例中頻率跨越30MHz至1000MHz時+1.8V(使用頻譜分析儀通過交流耦合探測)的功率頻譜進行比較。參見圖2b所示的測試案例2的頻譜，所觀察到的雜散主要是由晶體振蕩器(50MHz基頻)、DDR2 SDRAM (350MHz基頻)、ADC數據總線(150MHz基頻)和以太網(100MHz基頻)的諧波造成的。在圖2a所示的測試案例1中， 由于去耦合性能較差，頻譜上出現了雜散，其功率達到最高。
PDN阻抗和晶體振蕩器瞬態電流之間的相互作用， 加上在特定頻率上同時開關或切換的IC輸出緩沖器(即SSN)，共同產生了電網噪聲。通過改善去耦合降低功率阻抗，SSN和頻率雜散便能得到抑制。
圖2a: 測試案例1 中+1.8V的SSN 圖2b:測試案例2 中+1.8V的SSN
通過在3米的電波暗室進行輻射發射(RE)測試可以比較 兩種測試案例的原型之間的噪聲性能。測試案例2顯示出比測試案例1更好的RE或EMC性能，測試案例2中有更多的接地層，這不僅能改善去耦合或PDN阻抗，還為沿PCB 跡線傳輸的所有信號提供了恰當的返回路徑，從而進一步降低了輻射發射。
圖3a: 測試案例1的RE 圖3b:測試案例2的RE
結論
實際測試證實了去耦合對SSN和EMC的確會產生影響。因此，PDN和PCB疊層必須采用嚴格的方式執行， 以確保原型具有出色的質量、穩健性和功能。
本文來源于電子技術設計。
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