（光学工程专业论文）数字电路中的△i噪声研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着数字电路向高集成度、高性能、高速度、低工作电压、低功耗等方向发展， 数字电路中的，噪声己逐步成为数字系统的主要噪声源之一，有关j 噪声的特性和 抑制，噪声的电路设计方法即成为一个亟待系统、深入研究的领域。 论文以目前数字电路中最具代表性的r r l 和c m o s 为研究对象，从分析数字设 计的核心一反相器的电路结构和工作过程入手，采用定性分析与定量分析相结合、理 论分析与测试或仿真相结合的研究方法。研究了们几和c m o s 中，噪声的产生过程、 基本特点和主要危害。研究了在电路设计过程中抑制，噪声的两项重要技术，一是 对p c b 板层布局优化抑制j 噪声进行了分析与测试，二是对去耦电容器抑制，噪 声的应用技术进行了分析与仿真。 结果表明：j 噪声是由数字电路的电路结构和工作过程决定的( 是固有的) ，数 字电路中不同单元产生的，噪声会发生叠加，噪声是主要与数字电路的速度有关 的宽带噪声源，噪声同时产生传导骚扰和辐射骚扰。，噪声主要造成数字系统的 电源电压波动、电路内部噪声、输出波形畸变和传播延迟、功耗增加、辐射发射等危 害。优化的p c b 板层布局和合理的去耦设计对抑制，噪声效果明显。 论文的研究结论可作为现代数字系统的e m c 研究与应用的基础。 关键词：数字电路：，噪声；电磁兼容；p c b 板层布局；去耦 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t so fd i g i t a li c si nt h ed i r e c t i o no fh i 曲i n t e g r a t i o nd e n s i t y , h i g hp e r f o r m a n c e ，h i g hs p e e d ，l o ws u p p l yv o l t a g e ，a n dl o wp o w e rd i s s i p a t i o n ，n o i s eo f d i g i t a lc i r c u i t si sg r a d u a l l yb e c o m i n gt h eo n eo ft h ek e yn o i s es o u r c e so fd i g i t a ls y s t e m s ， a n dt h ef u n d a m e n t a lb e h a v i o ro fa 1n o i s ea n dc i r c u i td e s i g nm e t h o d sf o rs u p p r e s s i n ga 1 n o i s ea r et h et o p i c sw h i c hi m p e r a t i v e l yr e q u i r ec o m p r e h e n s i v ea n di n - d e p t hr e s e a r c h t h et i la n dc m o sw h i c ha r em o s tc o m m o ni nd i 【百t a lc i r c u i t sa r es e l e c t e da st h e o b j e c t so fs t u d y , a n dt h er e s e a r c hm e t h o d sa r eu s e dt h a tc o m b i n eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sw i t h q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dc o m b i n et h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t ht e s to rs i m u l a t i o nw h i l es t a r t i n g o f fw i t ht h ea n a l y s i so ft h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n do p e r a t i o no ft h el n v e r t e r s ( t h eh e a r tu n i to f d i g i t a ld e s i g n s ) t h em e c h a n i s m ，f u n d a m e n t a lb e h a v i o r , a n dm a i nh a r m f u l n e s s o fa 1n o i s e a r ea n a l y z e d t w oe f f e c t i v et e c h n i q u e sf o rs u p p r e s s i n g ，n o i s ea r es t u d i e d ，i n c l u d i n gt h e a n a l y s i sa n dt e s to ft h eo p t i m i z a t i o no fp c bl a y e rl a y o u ta n da n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no f m u l t i p l ec a p a c i t o rd e c o u p l i n g t h em a j o rr e s e a r c hr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：越n o i s ei sc a u s e db yt h e d i g i t a lc i r c u i ts t r u c t u r ea n do p e r a t i o n ( i si n t r i n s i c ) ，c a nb em o r ei n t e n s i v et h r o u g ht h e a d d i t i o no ft h e ，n o i s ef r o mt h ed i f f e r e n tp a r t so fd i g i t a ls y s t e m s 。弧aw i d e b a n dn o i s e s o u r c ep r i m a r i l yd o m i n a t e db yt h eo p e r a t i o ns p e e do fd i g i t a lc i r c u i t s ，a n dc a ng e n e r a t e c o n d u c t e dd i s t u r b a n c ea n dr a d i a t e dd i s t u r b a n c e a in o i s em a i n l yc a u s e ss u p p l yv o l t a g e f l u c t u a t i o n ，i n t e r n a ln o i s e ，o u t p u tw a v e f o r md i s t o r t i o na n dp r o p a g a t i o nd e l a y , p o w e r d i s s i p a t i o ni n c r e a s e ，a n dr a d i a t e de m i s s i o n o p t i m i z i n gp c bl a y e rl a y o u ta n dr a t i o n a l l y u s i n gm u l t i p l ec a p a c i t o rd e c o u p l i n gc a ne f f e c t i v e l yr e d u c ea 1 n o i s e t h ec o n c l u s i o n si n t h i st h e s i sc a nb eu s e da sas u b s t a n t i a ib a s i so fr e s e a r c ha n d p r a c t i c eo f t h ee m co ft h eh i g h s p e e dd i g i t a ls y s t e m s k e y w o r d s ：d i g i t a lc i r c u i t ；z x ln o i s e ；e m c ；p c bl a y e rl a y o u t ；d e c o u p l i n g l i 独创性声嗣 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究残暴。尽我灏赧，除文中已经标明弓l 矮载蠹容终，零论文苓趣含链秘其缝令人或集 体已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 秘确方式标器。本久完全意识弼本声鼹静法律络莱枣本天承愁。 学位论文作卷签名： 日期：印眸妒月z 翻 问眦迄 学位论文版权使用授权书 零学位论文终者蹇垒了麓学校寿美缳瞽、便露擎位论文黪麓定，鼯：学授有毂缳 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被畿阅和借阅。本 人授权华中科技大学可殴海本学位论文静全部或部分内容编入有关数据库进幸亍检索， 可以采用影印、缩印妓扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 保密韶，可年解密后适用本授权书。 本论文羼予 不保密时。 ( 请袭鞋土方疆蠹据“”) 学位论文作者签名： 词诗玺海 强期： 口埤1 0 月 日 指删币龇，硝满 日期：歹瓣f 3 月1 1 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 论文选题自作者主持的河南省自然科学基金项目：数字系统中，噪声的特性与 抑制技术研究( 0 3 1 1 0 1 2 5 0 0 ) 。 本章简要介绍论文选题的依据、意义、主要研究内容、关键技术线路等。 1 1 数字电路的进展与发展趋势 数字电路的热型代寝是数字i c ( i n t e g r a t e d c i r c u i t s ) 。 数字i e 的集成密度和性能在近3 0 多年里发生了 巨大变化。2 0 世纪6 0 年代，i n t e l 公司的削始入之一 摩尔( g o r d o ne m o o r e ) 预言能够在一个挚片上集成 的晶体管的数目随时间按指数规律增长，即著名的摩 尔定德( m o o r e sl a w ) 。 数字i c 的发展证明了摩尔定律的正确性。 图1 - 1 耩圈1 - 2 掰示分潮舞逻瓣i c ( 1 0 9 i ci c ) 耪 存储器( m e m o r y ) 集成密度随时问增长的越势n 3 。 正如摩尔定律所预言的，集成的复杂程度大约每 l ，2 年魏一倍，从1 9 7 0 年起存媸器密度的增长已 超过1 0 0 0 倍。 徽处壤嚣( m i c r o p r o c e s s o r ) 懿发震是数字配 发展的另一个重要例证。自2 0 世纪7 0 年代早期 溺落班来，在往麓釉复杂程度上，一壹黻一令稳 定的和可预见的步伐发展。圈1 - 3 所示为微处理器 各个发展阶段许多标志性设计中晶体管的数茸担3 。 至2 0 世纪8 0 年代末，微处理器每个芯片的晶体 瓤 毯 鎏 豫 岛 q 蕾 撺 坩 1 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 0 2 0 0 5 年份 圈1 - 1 逻辑i c 巢成密度 提高酶趋势 年份 图1 - 2 存储器存储密度提高的趋势 华中科技大学硕士学位论文 管数目已突破酉万大关。在过焱1 0 多年里，微处理器的时钟频率每3 年翻一倍，已 达到千兆赫芝( g h z ) 。图1 - 4 所示为2 1 世纪初微处理器性能的发展趋势1 。值得注 意数燕这一趋势至今没莓馒下来戆迹象。 髫1 - 3 微处理器晶体管数嚣的增长4 f 份 翻1 - 42 l 世纪裙微处理器链能发震的趋势 隧凑数字i c 工慧尺寸( 最小特征尺寸， m i n i m u mf e a t u r es i z e ) 躲不凝缨枣，数字l e 懿工 终电器越采越羝。蘩1 5 溪嚣为数字羚款特缝 尺寸懿发麓趋势“。豳1 - 6 掰承为数字l c 懿最低 帮簸麓工季罄宅压隧簸，i 、将挺尺寸瓣终夺嚣簿低 的情况 5 3 0 阻微照理器为侧，预计到2 0 1 0 年， 工 挈魄压将黪 氐至l0 6 v 。 尽管数字i c 盼王彳乍电压越来越低，假出予 集残鬻凄魏袄速提麓，因i 霾凌鞣越寒熬夫。狴 年嵇 潮1 - 5m o s 鹣体祷( 平均) 壤小沟邋 长度缝小的趋势 纪的颦钱翅缴处瑗嚣浆功凝不裂1 0 w ，露2 0 0 4 零发露瓣i 4i r e s c o t t 微处瑗嚣的功糕 超过y1 0 0 w 。鼙1 - 7 繇承必c o m p a q 公霹各捉赢经熬a i p h a 徽楚壤瓣系列鹣藏潦龟 垂篱嘏添壤滚静漕凝c 6 7 鞭筑产鹣鬻经洚低了懿滚滚垂，伤嚣婺1 0 0 a 鹣嚷源惫漾 寒支持。所鞋，低功耗楚数字l e 长期遥隶的麟标之一。 可觅，在过去3 0 多年墓，数字擀一纛澄簧巍集成度、赢性藏、离遽凌、低功耗、 低王僚电鹱的方向快遴发燧。非且可以预言，在米米糯当长的时间疆，至少到2 l 世 纪上事时，会继续澄落一戆势菠袋下去。 2 华中科技大学硕士学位论文 出 脚 鬻 删 最小特征尺寸( “m ) 幽1 - 6 数字i c 最低和最高工作 电压随特征尺寸缩小 而降低的情况 s 爆 删 鹫 诤 图1 7a l p h a 微处理器系列的电源电压 与电源电流 1 2 本课题研究的国内外现状及存农的问题 数字i c 技术的迅速发展，带来了数字i c 功能和性能的快速掇升，同时也使电路 熬e m c ( e l e c t r o - m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 婀题变褥越来越突滋。美潮h e n r yo t t 咨谗公 司总裁、国际知名的e m c 专家h e n r yw o t t ，在2 0 0 3 年东部p c b ( p r i n t e d c i r c u r t b o a r d ) 设诗研讨会( p c bd e s i g nc o n f e r e n c e 。e a s t ) 上豹芰趱演漭孛强调w 3 ；“在凑速设诗的 时代，p c b 设计人员如果不更多地了解e m c 问题，将会面临许多意想不到问题。”“由 予设诸速度更侠，藏无线设计己越来越普遮，e m c 将成梵一个更为巨大静锾酸。” 大规模数字i c 产生的j 噪声，已逐步成为数字系统的主委噪声源之一，成为 p c b 电磁稻射的主要来源，对系统的e m c 有重要影响。忽略，嗓声的电路设计方 法避不麓邋应现代数字系绞豹发袋潜要。中国科学院电子学研究所教授、知名的e m c 专家白同兹，在冀2 0 0 1 年出版的e m c 专著中特剐指出哺】；“所以，急需投入力擞研 究f 噪声兹特黢，鞋麓褥到 露溯j 曝声戆毫踌设诗方法。这黠强翦广泛应蠲驹 c m o s 电路更是如此。” 美国、欧溯等发达鋈家在e m c 的研究与应霜上屠毽嚣先进承警。餐怒，l ； l 予f 噪声是随麓数字电路的发展，逐步成为影响系统的e m c 的主要因桊之一，因而对其 认识与研究起步较晚。另外，由于f 嗓声十分复杂，与芯片的种类、系统的电路结 构、工 乍避程、p c b 设计、工作环境的谗多具体豳豢有关，困丽磷究难度大。目魏在 3 华中科技大学硕士学位论文 发达国家，噪声的特性与抑制技术仍是一个热点研究领域。 现有的e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 软件虽有e m c 仿真功能，但远落后 于大规模数字i c 和数字系统的发展需要。现有的e d a 软件还不具备单独对j 噪声 仿真的功能。 与发达国家相比，我国的e m c 研究与应用比较落后，对，噪声的研究尚处于起 步阶段，目前见到的大多是一些实际经验的总结。 目前对，噪声的研究存在的主要问题有两个方面。一是对，噪声的成因、基本 特点、主要危害等基本问题，缺乏全面、深入地研究，难以为，噪声抑制技术的研 究与应用提供很好的指导。二是对，噪声的实用抑制技术缺乏系统地研究，一些资 料仅仅是某些实际经验的总结，其结论常常是局部的和片面的，仔细分析会发现其中 的许多观点与做法是相互矛盾的，其实有些只是在不同条件下的结论与做法，因而难 以具有普遍的指导作用。 所以，本课题研究有助于提高我国的e m c 研究与应用水平。 1 3 本谍题研究的主要疼窑翱关键技零线路 1 ) 本谍题研究的主要内容 1 ) a i 噪声的产生过程：t r l 中，噪声的产生过程；c m o s 中，噪声的产 生过程。 2 ) ，噪声的熬本特点：，噪声是固有的；j 噪声会发嫩叠加；j 噪声 是宽带嗓声源：，嗓声闯时产生传导骚扰和辐掰骚扰。 3 ) a i 噪声豹主要危鬻：电源电匿波动；电路内部噪声；输出波形畸变和 延时增加；功耗增加：辐射骚扰。 餐季牵割j 溱黟鹣著予蜜爰技本：p c 嚣教层毒是( 1 a y e rl a y o u t ) 霞纯糖翩，噪 声的分析与测试；去耦电容器( d e c o u p l i n gc a p a c i t o r ) 抑制，噪声的分析与仿真。 ( 2 ) 本谍题研究的关键技术线臻 1 1 从及楣器( i n t e r v e r ) 入手来分析j 噪声的产生过稷和基本特点。 4 华中科技大学硕士学位论文 尽管数字i c 的种类很多，但其核心是反相器。从反相器入手来研究，噪声的产 生过程和基本特点，即抓住了问题的本质。 2 ) 结合数字i c 的新进展与发展趋势，重点结合目前数字i c 的主流工艺一深亚微 米( d e e p s u b m i c r o n ) 工艺。 数字电路发展迅速，只有结合数字i c 的新进展与发展趋势，得出的结论才同时 具备先进性和实用性。 3 1 利用目前的e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 理论、e m c 原理和e m c 技术。 尽管与传统的e m i 相比，噪声具有一些重要的新特点，但从本质上讲， 噪声仍属于e m i ，很多成熟的e m i 理论、e m c 原理和e m c 技术对，噪声依然有效。 4 1 研究在p c b 设计过程中抑制，噪声的措施，重点是p c b 板层布局优化和去耦 电容器在抑制，噪声中的应用技术。 对广大的应用工程师而言，无法从数字i c 的设计、工艺、封装等方面采取抑制 措施，而只能将考虑的重点放在p c b 设计过程中，其中p c b 板层布局优化和去耦电 容器的合理使用，对抑带l j a l 噪声效果良好。 5 ) 利用测试和仿真( s i m u l a t i o n ) 检验抑制，噪声的措施的实际效果。 由于z o 嗓声本身复杂，与穰多其体因素有关，再加上在分析季牵稍f 噪声措漆的 效果时，衣很多“次要”蹦素无法考虑进去，而有的被忽略的因豢可能起壤要作用， 因简抑制噪声措施的效果必须通过测试绒仿真来检验。尤其是e d a 技术中的仿真 其鸯科学、毫效、经滂等黧要特点，在研究鲫m c 这类复杂阉题时，舆真难以餐 代的优势，因而成为非常黧要的研究手段之一。 华中科技大学硕士学位论文 2a 1 噪声的产生与基本特点 c m o s ( c o m p l e m e n t a r y s y s t e m e t e r ym e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 逻辑器件和t t l ( t r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c ) 逻辑器件是目前数字系统中应用最广泛的两大类。 反相器是数字设计的核心。 对那些更复杂的门电路，只要是1 v r l 电路，它们的输入端和输出端电路结构，都 与t t l 反相器电路相同；只要是4 0 0 0 系列或5 4 h c 7 4 h c 系列c m o s 电路，它们的 输入端和输出端电路结构，都与c m o s 反相器电路相同。因而反相器的电气特性对这 些门电路同样适用。各种门电路又是构成复杂的组合逻辑( c o m b a n i t i o n a ll o g i c ) 电路 和时序逻辑( s e q u e n t i a ll o g i c ) 电路的基本单元，进而可由反相器的电气特性来推断这 些复杂的逻辑电路的电气特性。 所以，本章从反相器入手，来分析，噪声的产生过程与基本特点。 2 1a 1 嗓声的产生 2 1 1t t l 中j 嗽声的产姓 圈2 1 掰示为嗣反榻器的基本电路戮。 在稳定状态下，输出v o 分别为岗电乎 赢和低 电平时，电源提供的电流，。和，。是不同的，但 都比较小。 图2 - 1t t l 度相器的基本电路 由图2 - 2 可见，当= l 时珏为高电乎，若3 4 v ，则t l 、t 2 和t s 导通， t 4 截止，l 等于毛i 嗣f c 2 之和。据t t l 反相器的工作原理( 文献 9 p p 4 1 - 4 2 ) 可知， 当t 2 和t 5 同时导通时，v 。，被钳在2 1v 左右。取如发射结的导邋压降为0 7 v ，k 谗秘导逶嚣降。= 0 。i v ，黉l jv c 2 = 0 8 v 。予是褥爨 6 华中科技大学硕士学位论文 卜h 峨z = 半+ 警“3 4 姒 ， 占h 图2 2t t l 反相器电源电流计算( 1 ) 图2 - 3t t l 反相器电源电流计算( 2 ) 当= 时，设k = = 0 2 v ，由图2 - 3 可见，这时t l 和t 4 导通，t 2 和t 5 截止。因为输出没有接负载，t 4 没有电流流过，所以，。等于f b 。取t l 发射结的导通 压降为0 7 v ，则v 。= 0 9 v ，于是得到 i h = i b i = 毕m l m a ( 2 - 2 ) 在动态情况下，特别是溺输出电平由低向高转换过程中，因t 5 琢来工作在深度饱 和状态，故强的导逶必然先予t 5 媳截止，这样就毖现了短粒阅内t 4 和t 5 嬲时导通 的状态( 电源与地之问形成低阻通路) ，有报大的瞬时电流流经t 4 和t 5 ，使电源电流 凄袋尖峰菰湾。 翻2 4t t 己反稳嚣电源魄流尖峰计算 圈2 5 飘艮反相器电灏电流失燎赫；孛 7 班 器 一 臀毫一 季 缸一，pn 华中科技大学硕士学位论文 由图2 - 4 可见，若k 从高跳变为低的瞬间t 5 尚未脱离饱和导通状态而t 4 已饱和 导通，则电源电流尖峰脉冲的峰值为 耳l = 毛4 + 屯4 + 毛1 堡! 二坚曼竺! 二生! 二堡! ! 竺! 。 凡 f c c - v b z 4 - v d 2 - v c 删5 f c c - v m r墨 ( 2 3 ) = 34 7 m a 式中取三极管发射结的正向压降为v b 。= 0 7 v 、饱和导通压降。( s a t ) = 0 1 v 及二极管d 2 正向压降1 b 2 = o 7 v 。 由上述分析可得到t t l 反相器的电源电流尖峰脉冲的波形如图2 - 5 所示。 也有文献表明e i o 这样形成的电源电流尖峰脉冲可达3 0 m a 1 0 0 m a 。 在实际使用反相器时，输出端不可避免地存在负载电容c 。，c 。可能是下级反相器 的输入电容，也可黢是其他负载电路的电容灏连线魄骞。当反相器的输出电平由低巍 高转换时，t 4 导通、t 5 截此，电源经t 4 向q 充电，也形成电源电流尖峰脉冲，其幅 篷霹宙下式倍算 秘q 警 式中a 、加分别必反招器蚋典型输出转换电压和转换眩阕。 驱动线对地电容，单层p c b 为0 1 0 3 p f c m 、多层p c b 为o 3 1 p f c m 。当媳 鳖输密转挨魄嚣隽3 , 5 v 、转换辩间凳3 n s 辩，设摹鼷p c b 上静驱动线长痉为5 c m ，被 驱动门共5 个端f i ，每个门的输入电容为5 p v , 贝u 2 ( 5 e r a x o 3 p f e m + 5 5 p f ) 3 5 v t 3 n s 2 3 0 m a 鹭驱凌线较长，传辕延遴超过辣渖主嚣对润辩，f ，：可囊下式 鑫算 。“等 沼s ) 式中z o 为驱动线貔特牲疆技e 谩2 3 。5 v 、z o = 9 0 q ，爨 i 2 3 8 m a 。 华中科技大学硕士学位论文 实践中也可用更简单的方法来估算c 充电引起的电流尖峰脉冲的峰值。在图2 1 中，c = s v 、r 4 = 1 3 0 q ，c 膻4 = 3 8 m a 。由于t 4 上有一个小的电压降，所以取3 5 m a 的电流值比较合适。 当反相器输出为高电平时，c l 上可充电至接近电源电压。当反相器的输出电平由 高向低转换时，t 4 截止、t 5 导通，c l 通过t 5 和接地线放电，从而形成地电流尖峰脉 冲。 2 1 。2c m o s 中f 噪声豹产生 图2 - 6 所示为c m o s 反楣器电路。 据c m o s 反相器的工作原理( 文献 9 2p p 6 1 m 6 2 ) 可知，在稳定状态下，无论输出为崧电平还楚低电平，b 和。1 - 总有一个是截止的，瞩而电源提供的电流极小， 般霹激忽臻不诗。 在动态情况下，如果取) s o b ) n + 阮s p i ， 图2 - 6c m o s 反相器电路 m ，* 0 ，那末当k 从吒转换到和从k 。转换到的过程中，都将经过斑 暂豹。( k 一l ；，l 瓣状态，在魏状态下奄粒虱嗣拜圣罨逶，获纛在淹源与滚 之间澎成瞬孵的羝阻通路，瞬时电流岛流经b 和t n ，形成电源电滤尖蜂脉冲，如翻 2 7 所示。 蹦2 。7c m o s 反樱器的瞬时导通电流 9 卜r一 ；，“h，j，0趋_二，-fm f 华中科技大学硕士学位论文 与t t l 反相器一样，c m o s 反相器的输出端也有负载电容c 。 当c m o s 反相器的输出电平由低向高转换时，t p 导通、t n 截止，电源经t p 向c 。 充电，也形成电源电流尖峰脉冲，如图2 - 8 中的i p 所示。 t p t s c o lli f 【 j 1 1：l fk i2 图2 - 8c m o s 反相器对负载电容充、放电电流 警c m o s 反棚嚣豹竣出壤乎由窝向低转换酵，截止、强导遴，毫通j 遘黾魏接 地线放电，也形成地电流尖峰脉冲，如图2 。8 中的i 。所示。 2 1 3 小结 由上述分糖可见，无论是翻t 茨相器，还是c m o s 反掬器，衣动态攮凝下，都 存在三种原因弓i 起的电流尖峰脉冲。前两种原因引超的电流尖峰脉冲通过电源分配网 络( p o w e r d i s t r i b u t i o n n e t w o r k ) ，矗耱蘸鞭雩| 超戆瞧滚尖蜷鼗渖逶避接速鼯线。 前两种原因引起的电流尖峰脉冲会发生叠加，形成更强的电流失峰脉冲。 有文献表明h ：髑工菠稽器中前两释淼透弓| 怒静尖峰鼹滚可这4 0 5 0 m a 。 在大多数情况下，无论是t t l 门还是c m o s 门，由负载电容充电较之两管同时 导i 黩所引起的电流尖峰脉冲所造成的影响大得多。 这些电浚尖峰脉冲( 典型的噪声源) 称为噪声电流。由于数字电路鹣电源分 配网络和按地导线存在寄，圭电感和寄生电阻，所以，噪声电流流过时，即产生， 噪声电匿( 鑫感电势和欧姆逸压终) 。为麓馒诗，将j 噪声迄流襄，噪声电压都髂 寸 华中科技大学硕士学位论文 为，噪声。 2 2a 噪声的基本特点 2 2 1 j 噪声是固有的 由，噪声的产生过程可见，噪声是由数字电路的电路结构和工作过程决定 的，是固有的。 进一步分析表明( 文献 1 p p 2 2 0 2 2 2 ) ，恰当的器件设计，只能在一定程度上 减小( 而无法消除) a i 噪声。 以c m o s 反相器为例，电源电流尖峰脉冲的强度，一方面由器件的饱和电流决定， 因而直接正比于晶体管的尺寸；另一方面也与输入和输出斜率之比密切相关。由于晶 体管的尺寸取决于数字i c 的工艺，所以下面具体分析后一因素的影响。 考虑c m o s 反相器的输入电平由低向高的转换。首先假设负载电容c 。很大，所 以输出的下降时间明显大于输入的上升时间。在这种情况下，输入在输出开始改变之 前就已经通过了过渡区。由于在这一时期p m o s 管t p 的源2 漏电压近似为零，因此 t p 甚至还没有传导任何电流就断开了。在这种情况下t p 的短路电流接近于零。再考 虑相反的情形，即负载电容c ，非常小，因此输出的下降时间明显小于输入的上升时间。 t p 鹣滚一潺魄压在转换辫瓣鹣大鄂分蹲闽内等于y 玉，从嚣等| 起了最丈的短鼹电流( 等 于t p 的饱和电流) 。这代表了最不利情形的祭件。 出_ l l ：可觅，使输基的上拜辩闻， 下降时闻犬予输入静上舞，下降辩闻，哥黻使毫源 电流尖峰脉j 中的强度减小。但是，输出的上升时间下降时间太大会降低电路的速度并 在崩出门( f a n o u tg a t e ) 中s 起短路电流。所以，在数字设计时只髓认真权衡后伟琏i 折裳。 2 2 2 ，噪声会发：生叠加 数字系统中往缝骞攫多个逻辑 j ，要对掰毒逻爨门戆工终状态熬组舍揍况迸雩亍琰 测和分析是非常困难的，因而通常考虑最不利的情形，即假设所有的逻辑门在某一阐 定颓率同时两同一方逡转换工律获态。 华中科技大学硕士学位论文 由于数字系统中的很多逻辑门一般共用电源，所以当系统中多个逻辑门同时转换 工作状态时，它们引起的电流尖峰脉冲将发生叠加，可能引起极强的，噪声。 假设c m o s 电路板上有1 0 0 个逻辑门，每个逻辑门的负载电容是1 0 p f ，转换时 间是5 n s ，则所有负载电容同时充电( 最不利的情形) 引起的电流峰值为 ，：c l 譬：l o o 1 0 p f x 5 v 5 n s ：1 a ( 2 _ 6 ) 。r 尽管在数字系统中大量的逻辑门同时转换工作状态的可能性较小，但这种可能性 确实存在。数字系统的规模越大，这种可能性也越大，一旦出现引起的后果也越严重。 然而，规模越来越大正是数字电路的重要发展趋势之一。 2 2 3a i 噪声是宽带噪声源 ，噪声是持续时间很短的尖脉冲。为分析其频谱，可以将其近似为三角形脉冲， 如图2 - 9 ( a ) 所示。图中e 为噪声的强度、t ，为逻辑门的上升( 或下降) 时间( r i s e f a l l t i m e ) 。函数表达式可写为 。 2 厂、 挚 ，一、，、 ( a ) 波形图 ( b ) 频谱图 图2 - 9 三角形脉冲信号及其频谱 ，( f ) = 瓦( 1 一砷2( 鸭) o ( 妥) 根据傅攫时( f o u r i e r ) 变换豹定义襄性壤n 2 3 可知， f ( ) = i f ( t ) e m d t ( 2 7 ) ( 2 8 ) 华中科技大学硕士学位论文 d 厂( f ) d t 争( 一了t r 似o ) 一 一争似r c 争 沼， o ( 屿) 可d2f ( t ) = 争附马2 删f 一刍2 埘d f 2f 。”。7 、 以尺。) ，f i ( 。) 和f 2 ( 。) 分别表示以f ) 及其一、二阶导数的傅里叶变换， 尻( r o ) t t n 下： r ( ) ：孕( 。；+ e j 哇一2 ) = 争 2 c o s ( 砖) _ 2 】= 一l z c u 剐“，一l 一二l = 一等如2c 争 利用傅里叶变换的积分定理容易求得 e ( 国) = ( 古【一下8 e ms i t n2 ( 等) me ( 嗍国) 1 曲， 斗 即) = 击【_ 半s i n 2 嘞+ 删f d 民8 i n 2 ( 等- ) 2 ( 譬) 2 = 譬s 呼，2、4 以上两式中岛( o ) 和段( 0 ) 都等于零。 由此可得到三角形脉冲的频谱图如图2 - 9 0 ) 所承。 显然，t r 越枣( 短) ，频谱越宽。 轰2 1 绘水了不同系歹0 帮辑门的 - y + 下降时i 、白】( 文献r 8 d 4 4 ) 。 一 一 一 一 一 华中科技大学硕士学位论文 袋2 - 1不闻系列逻辑门( 单个门) 的上升几；降时间( 典型值) 逻辑系列上菏，_ f 降时阔( n s )逻辑系列一t 升，_ f 降辩闻( n s ) e c l 1 0 k2 2a l s4 e c l ，1 0 0 k o 7 5f a s t2 t t l 1 0 c m o s ，5 v ( 1 5 v ) 9 0 i o o ( 5 l p t t l2 0 1 0h c m o s 5 v 1 0 s t 乳 3 露。sg a a s 1 2 v o l s t t ll o ，6m o s f e t 0 0 3 a s 2 由表2 1 可见，逻辑门的上升，下降时间一般很短，所以j 噪声的频谱一般报宽。 而且，随着数字电路向高速度方向发展，逻辑 门的上升下降时间会越来越短，噪声的频 谱也会越来越宽。 当逻辑门的上升下降时间极短( 速度很 快) 时，噪声可近似为冲激函数( i m p u l s e f i m c t i o n ) ，如图2 - 1 0 ( a ) 所示。冲击函数的频谱 ( a ) 波形图( b ) 频谱图 图2 一l o 冲激函数及其频谱 曲线为平行于频率轴的一条直线引，如图2 - l o ( b ) 所示。这更说明高速数字电路中的 ，噪声的频谱是很宽的。 由上述分析可见，噪声是宽带噪声源。 2 2 4 j 噪声同时产生传导骚扰和辐射骚扰 ，噪声的实质是瞬变电流脉冲。据对电子系统的e m i 问题的相关研究结论 1 4 ，”1 可以推断，j 噪声同时产生传导骚扰( c o n d u c t e dd i s t u r b a n c e ) 和辐射骚扰( r a d i a t e d d i s t u r b a n c e ) 。 传导骚扰主要通过电源线、信号线、接地线等金属导线传播。传导骚扰强度与瞬 态电流的频率成正比。 据文献 1 5 1 可知，电子系统中的很多结构和p c b 设计都难以避免地构成各种天 线，有单极天线( m o n o p o l ea n t e n n a ) 、双极天线( d i p o l ea n t e n n a ) 、小环天线( s m a l ll o o p 1 4 华中科技大学硕士学位论文 a n t e n n a ) 等。，噪声会通过邋些天线向外辐射电磁波，形成辐射骚扰。 对j 嗓声雩| 起鹬辐射骚撬，主簧是短单摄天线( 长度小于鲁，置为渡长) 和小 环天线( 周长小于丢) 褒秘摸式。 短单极天线在自由空间的电磁场为 q = 警咖目c 吉+ 寿e 曲 弘一互k 丙3 1 d lc 。s 口( 专+ 专) e - “ ( z 州) 磊= 磊k 3 s 嬲d 。s ；n 臼( 吉+ 寿一专) e _ “ 式中：r 、0 、巾为球坐杯；1 为天线电流；d 为短单极天线长度；r 为天线至场点的 距离；m 为角频率；七：婴为波数。 注意到自由空间的电磁波有 孚：下1 _ ( 2 1 5 ) 七鬲 一 叉自由空间的波阻抗 z o - j 等 ( 2 1 6 ) ( 鳓= 锄1 0 _ 7h m 岛= 击f m 分别为真空磁导率和真空介电常数。代入 可算出z o = 1 2 0 n q “3 7 7 f 2 ) 短单极天线的近场( 扫( ( 1 ，即，( ( 兄) 为 峨“等咖口 e t 叫等c o s 口( 2 - 1 7 ) 晶叫茜幽p 华中斟技大学硕士学位论文 可见，正比予三，e 正比于去，波阻抗 i z l = 刖粥去，z o c 2 砌， 为容性高阻抗，与! 成正比。短单极天线的近场又称为高阻抗场，以电场为主。短单 极天线又称为高电压、小电流高阻抗源。 短单极天线的远场( k r ) ) l ，即r ) 五) ，即辐射场为 州爹8 掌“ 协 乓“去j 等s i n 舻 、 可见，日和e 都正比于三，波阻抗 ， z 一鲁2 去2 z o 小环天线在自由空间的电磁场为1 ( 2 - 2 0 ) 耳= 譬c 专+ 书c o s 盼伽 风= 譬c 一吉+ 专+ 书s t n “ 协：t ， 乓= ，譬( 一軎一专) s i n 扩 式中s 为天线瓣蚕获。 小环天线的近场( 如( ( 1 ) ，五正比于三，日正比于三，波阻抗 z = 里h = j z 。丁2 nr (2-22) l z l 1 ) ，帮鞴瓣场力 6 华中科技大学硕士学位论文 可见，日和e 都正比于! 一x 。l ss i n o e 茫r 乓“警等s i 眠曲 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 比较短单极天线和小环天线的近场和远场的特点可见，它们在近场不同，而在远 场相同。 在研究辐射骚扰时，远场和近场的概念是十分重要的【1 7 】。 乙 = 业七 生啦 = 抗 z 阻波 华中科技大学硕士学位论文 3 ，噪声的主要危害 据，噪声的基本特点可以推断，噪声的危害是多方面的、是十分复杂的。研 究表明，其主要危害表现在五个方面，即引起电源电压波动、电路内部噪声、输出波 形畸变和延时增加、功耗增加和辐射骚扰。本章就这五个方面作具体分析。 3 1 电源电压波动 3 1 1 寄生电阻引起的电源电压波动 数字i c 内部和数字系统中都有电源分配网络。电源分配网络的导线都有寄生电 阻。电源电流尖峰脉冲( a i 噪声) 通过电源分配网络时，会产生欧姆电压降。从而 引起电源电压波动。 对数字i c 内部的电源分配网络，以目前流行的“v a n i l l a ”o 2 5umc m o s 工艺 为例，考虑一条长2 c m 的电源( v d d ) 或地线( i c 内部互连线) ，其每u m 宽度的电 图3 - 1电源地线上的欧姆电压降减小了噪声容限 流为l m a 。这一电流密度接近于条铝线所能承受电流的最大德，原因邂电迁移 ( e l e c t r o n m i g r a t i o n ) 的影嗽e 1 8 3 0 该导线( 每扛m 宽度) 的媳疆为1 k f i 。一个l m a um 的电流将导致1 v 的电聪降。遮电源电压波动将降低噪声容限，并使电路各点 兹逻辑电乎与离开憩澹褒豹鞭毒有关。 如图3 - 1 的电路所示，搬一个离电源和地引线( p i n ) 都很远的反相器连接到一个 接近电源斡器件上。篷在鬯游缝线上豫电撬降( 欧姆窀压蹲) 弓| 怒静遂辑电平差霹 华中科技大学硕士学位论文 能使晶体管t n 部分导通。这可能引起一个预充电的节点x 意外放电，或者如果连接 的门是静态的，则有可能引起静态功耗。 总之，来自片上逻辑和存储器及输入输出( i o ) 引线上的电流脉冲会造成电源 分配网络的电压降，并且这是片上电源噪声的主要来源。除了造成可靠性风险外，电 源网络的欧姆电压降也会影响系统的性能，因为电源电压的一个很小的下降都可能造 成延时的明显增加。 3 1 2 趋肤效应的影响 值的注意的是，无论是数字i c 内部的电源分配网络的导线( 目前多用铝) ，还是 数字系统中的电源分配网络( 一般用铜) ，都存在趋肤效应( s k i ne f f e c t ) 。趋肤深度n 9 3 艿=( 3 1 ) 式中：，为电流的频率，p 为导线的电阻率，为导线的磁导率( 一般情况下可以淑 “胁= 赧1 0 。7h i m ) 。 铝导线在1 g h z 对款趋默深度只旖2 6 # 飙。 假设电源分配网络的导线的横截面为矩形，宽和厚分别为矿和胁并假设电流均 匀滚造导线上厚度瓷艿嚣羚轰，裂霹褥爨赢羰薅罨线每单使长度熬滚疆秀 彤) = 黑 ( s - 2 ) 对于实芯圆截面铜导线，其直流电阻与交流电阻之间具有一定的关系，可表示为 ( 文献 1 0 p 1 0 5 ) r a c = f o 。0 9 6 d 4 f + 0 2 6 ) r d c ( 3 - 3 ) 式中：d 为爵线的直径，单位为i n ( 1 i n = 2 5 4 c m ) ；，为电流的频率，单位为h z 。若d , 7 1 0 ，则式( 3 3 ) 的计算结果是相当精确的，误差在几个酉分点之内；若d 、7 1 0 ， 鞠嚣线兹交流毫隧穰要太予式( 3 3 ) 酌诗冀结莱。嚣导线豹耩瓣不怒钢，剩式( 3 3 ) 压 华中科技大学硕士学位论文 的第一项必须乘以因子，笠，其中从为导线的相对磁导率、p r 为导线材料与铜相比 vp 。 较的相对电导率。 由于，噪声是宽带噪声源，所以趋肤效应会使电源分配导线的电阻显著变大( 相 对于直流电阻) ，进而使欧姆电压降显著变大。 3 1 3 寄生电感引起的电源电压波动 电源分配网络还有寄生电感，数字i c 的电源引脚( p i n ) 也有寄生电感。 电源电流尖峰脉冲( ，噪声) 通过电感时，会产生感应电压，从而引起电源电 压波动。 由2 1 节的分析可知，单个w l 反耩器弓f 起的电源电流尖酶脉冲最小值约为 3 0 m a ，设门电路的状态转换时阗为2 n s ，设魄源地线的寄生电感l = 5 0 0 n i - i ，则弓 起麴 电源电压波幼为 矿：五兰羔：5 0 0 n h x 3 0 m a 2 n s ：7 5 v