73、电源与接地共振及相关电子电路特性解析

电源与接地共振及相关电子电路特性解析

1. 电源与接地共振概述

许多工程师认为，数字印刷电路板（PCB）中的实心电源层和接地层应像一个大型、理想的集总元件电容器那样工作。理想情况下，如此大小的理想集总元件电容器应该在非常高的频率（数百兆赫兹及以上）下，在电源（Vee）和接地之间提供非常低的阻抗。根据公式 (i = C\frac{dv}{dt})，当一个门电路从电源系统索取电流时，这样的电容器应该能够以极小的短期电压下降来提供该电流。

然而，实际情况并非如此简单。电源层和接地层实际上构成了一个具有惊人复杂性的分布式系统，而不是一个理想的集总元件电容器。分布式系统与非分布式（或集总元件）系统的区别在于系统的时间延迟与信号上升时间之间的关系。只要时间延迟足够短，就可以认为它对结果的影响很小，从而可以安全地忽略。

例如，如果PCB尺寸为6英寸×6英寸，对于FR - 4基板，信号在电源层和接地层之间从板的一侧传播到另一侧的时间延迟约为1纳秒。如果使用的逻辑电路的上升/下降时间约为5纳秒，那么集总元件条件基本满足，此时电源层和接地层就像一个大型的平行板电容器一样发挥作用。

但对于更快的逻辑电路，情况就不同了。当上升/下降时间为200皮秒时，驱动器会将电源和接地结构视为一个具有显著延迟的分布式对象。这种延迟会导致一系列问题：
- 初始噪声尖峰 ：在单个上升或下降沿期间，只有驱动器附近小半径范围内的电源层部分能够在上升（或下降）沿结束之前做出响应。因此，初始噪声尖峰可能比预期的要大得多。
- 反射噪声叠加 ：第一次事件产生的残余电源系统噪声信号会穿过电路板，碰到板的边缘后反射，然后