PCB設(shè)計(jì)如何用電源去耦電容改善高速信號(hào)質(zhì)量
發(fā)布時(shí)間：2025-05-19 13:38
PCB設(shè)計(jì)電源去耦電容改善高速信號(hào)質(zhì)量？！What？Why? How? 高速先生成員--姜杰
大家都知道，信號(hào)的最佳回流路徑是GND：對(duì)于走線而言，我們希望能參考GND平面；對(duì)于信號(hào)管腳，我們希望GND管腳伴隨；對(duì)于BGA區(qū)域的高速信號(hào)扇出過(guò)孔，我們希望能被相鄰的GND過(guò)孔包圍。
因此，經(jīng)驗(yàn)豐富的攻城獅一定會(huì)避免讓高速差分信號(hào)置于如下的境地：BGA區(qū)域差分信號(hào)管腳的四周分布多個(gè)電源管腳（圖中白色對(duì)應(yīng)差分信號(hào)，綠色是GND網(wǎng)絡(luò)，黃色是電源PWR網(wǎng)絡(luò)），不多不少，一邊一個(gè)。
理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻很骨感，上圖的這種情況偏偏是存在的，更要命的是，電源管腳還不能換成GND網(wǎng)絡(luò)。
當(dāng)硬件攻城獅對(duì)換PIN方案表示無(wú)能為力的時(shí)候，Layout攻城獅把求助的眼光投向了高速先生，高速先生則默默的看向本文的標(biāo)題：如何用電源去耦電容改善高速信號(hào)質(zhì)量？
沒(méi)錯(cuò)，高速先生做過(guò)類似的案例。
如前所述，我們的Layout攻城獅經(jīng)驗(yàn)豐富，在他的努力下，找到了另外一個(gè)對(duì)比模型，信號(hào)管腳周圍只分布了3個(gè)電源管腳（下圖中的紅色圓圈）的情況。
為了高速先生仿真對(duì)比，Layout攻城獅也是非常的貼心了。
先仿真沒(méi)有電容的情況。這個(gè)時(shí)候，對(duì)于走線特征阻抗100歐姆的差分信號(hào)，過(guò)孔阻抗是這樣的：
阻抗曲線甚至出現(xiàn)了振蕩。換個(gè)角度，對(duì)比衡量阻抗連續(xù)性的另外一個(gè)參數(shù)，回波損耗。對(duì)于本案例中的100GBASE-KR4信號(hào)，在基頻12.9GHz以內(nèi)的頻段，4個(gè)電源孔情況下的最大回?fù)p-17.5dB，3個(gè)電源孔情況下的最大回?fù)p-21.9dB。
通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，回流地孔的增加確實(shí)改善了差分過(guò)孔的阻抗，回?fù)p也反映了同樣的趨勢(shì)。問(wèn)題在于，無(wú)論是3個(gè)電源孔還是4個(gè)電源孔，結(jié)果都不太理想。
一直關(guān)注高速先生的朋友，一定還記得前不久的一篇文章《瞧不起誰(shuí)啊！“縫合電容”我怎么可能不知道》，此時(shí)會(huì)不會(huì)突發(fā)靈感：同樣是電容，電源去耦電容該不會(huì)對(duì)改善高速信號(hào)質(zhì)量有幫助吧？
試試看。
每個(gè)電源管腳加上本就屬于它的去耦電容，像下圖這樣（當(dāng)然了，BGA和電容位于PCB不同的布局面，本視圖是為了大家更清楚的看到二者的相對(duì)位置）。
增加電容前后，3個(gè)電源過(guò)孔情況的回?fù)p對(duì)比如下，在關(guān)注頻段內(nèi)，增加電容后的最大回?fù)p有較大改善。
同樣的， 4個(gè)相鄰電源過(guò)孔的差分過(guò)孔回?fù)p也改善了不少。整體對(duì)比情況如下圖。
電源去耦電容本來(lái)是為了減小電源噪聲，沒(méi)想到還能順帶改善信號(hào)質(zhì)量，這到底是為什么呢？
問(wèn)題來(lái)了
本案例中的電源去耦電容改善信號(hào)質(zhì)量的原理是什么？
