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    電源噪聲問題的原因及電源噪聲余量的分析
    
            
    發(fā)布時間： 2016-06-01 10:32:19    關注量：2163
    
            
      芯片內(nèi)部有成千上萬個晶體管，這些晶體管組成內(nèi)部的門電路、組合邏輯、寄存器、計數(shù)器、延遲線、狀態(tài)機、以及其他邏輯功能。隨著芯片的集成度越來越高，內(nèi)部晶體管數(shù)量越來越大。芯片的外部引腳數(shù)量有限，為每一個晶體管提供單獨的供電引腳是不現(xiàn)實的。芯片的外部電源引腳提供給內(nèi)部晶體管一個公共的供電節(jié)點，因此內(nèi)部晶體管狀態(tài)的轉(zhuǎn)換必然引起電源噪聲在芯片內(nèi)部的傳遞。
    

    
  對內(nèi)部各個晶體管的操作通常由內(nèi)核時鐘或片內(nèi)外設時鐘同步，但是由于內(nèi)部延時的差別，各個晶體管的狀態(tài)轉(zhuǎn)換不可能是嚴格同步的，當某些晶體管已經(jīng)完成了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，另一些晶體管可能仍處于轉(zhuǎn)換過程中。芯片內(nèi)部處于高電平的門電路會把電源噪聲傳遞到其他門電路的輸入部分。如果接受電源噪聲的門電路此時處于電平轉(zhuǎn)換的不定態(tài)區(qū)域，那么電源噪聲可能會被放大，并在門電路的輸出端產(chǎn)生矩形脈沖干擾，進而引起電路的邏輯錯誤。芯片外部電源引腳處的噪聲通過內(nèi)部門電路的傳播，還可能會觸發(fā)內(nèi)部寄存器產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
    

    
  除了對芯片本身工作狀態(tài)產(chǎn)生影響外，電源噪聲還會對其他部分產(chǎn)生影響。比如電源噪聲會影響晶振、PLL、DLL的抖動特性，A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度等。   
    

    
  由于最終產(chǎn)品工作溫度的變化以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不一致性，如果是由于電源系統(tǒng)產(chǎn)生的問題，電路將非常難調(diào)試，因此最好在電路設計之初就遵循某種成熟的設計規(guī)則，使電源系統(tǒng)更加穩(wěn)健。
    

    
  絕大多數(shù)芯片都會給出一個正常工作的電壓范圍，這個值通常是±5%。例如：對于3.3V電壓，為滿足芯片正常工作，供電電壓在3.13V到3.47V之間，或3.3V±165mV。對于1.2V電壓，為滿足芯片正常工作，供電電壓在1.14V到1.26V之間，或1.2V±60mV。這些限制可以在芯片datasheet中的recommended operating conditions部分查到。這些限制要考慮兩個部分，第一是穩(wěn)壓芯片的直流輸出誤差，第二是電源噪聲的峰值幅度。老式的穩(wěn)壓芯片的輸出電壓精度通常是±2.5%，因此電源噪聲的峰值幅度不應超過±2.5%。當然隨著芯片工藝的提高，現(xiàn)代的穩(wěn)壓芯片直流精度更高，可能會達到±1%以下，德州儀器（TI）公司的開關電源芯片TPS54310精度可達±1%，線性穩(wěn)壓源AMS1117可達±0.2%。但是要記住，達到這樣的精度是有條件的，包括負載情況，工作溫度等限制。因此可靠的設計還是以±2.5%這個值更把握些。如果你能確保所用的芯片安裝到電路板上后能達到更高的穩(wěn)壓精度，那么你可以為你的這款設計單獨進行噪聲余量計算。下面著重電源部分設計的原理說明，電源噪聲余量將使用±2.5%這個值。
    

    
  電源噪聲余量計算非常簡單，方法如下：
    

    
  比如芯片正常工作電壓范圍為3.13V到3.47V之間，穩(wěn)壓芯片標稱輸出3.3V。安裝到電路板上后，穩(wěn)壓芯片輸出3.36V。那么容許電壓變化范圍為3.47-3.36=0.11V=110mV。穩(wěn)壓芯片輸出精度±1%，即±3.363*1%=±33.6 mV。電源噪聲余量為110-33.6=76.4 mV。
    

    
  計算很簡單，但是要注意四個問題：
    

    
  第一，穩(wěn)壓芯片輸出電壓能精確的定在3.3V么？外圍器件如電阻電容電感的參數(shù)也不是精確的，這對穩(wěn)壓芯片的輸出電壓有影響，所以這里用了3.36V這個值。在安裝到電路板上之前，你不可能預測到準確的輸出電壓值。
    

    
  第二，工作環(huán)境是否符合穩(wěn)壓芯片手冊上的推薦環(huán)境？器件老化后參數(shù)還會和芯片手冊上的一致么？
    

    
  第三，負載情況怎樣？這對穩(wěn)壓芯片的輸出電壓也有影響。
    

    
  第四，電源噪聲最終會影響到信號質(zhì)量。而信號上的噪聲來源不僅僅是電源噪聲，反射串擾等信號完整性問題，也會在信號上疊加噪聲，不能把所有噪聲余量都分配給電源系統(tǒng)。所以，在設計電源噪聲余量的時候要留有余地。
    

    

    
	  另一個重要問題是：不同電壓等級，對電源噪聲余量要求不一樣，按±2.5%計算的話，1.2V電壓等級的噪聲余量只有30mV。這是一個很苛刻的限制，設計的時候要謹慎些。模擬電路對電源的要求更高。電源噪聲影響時鐘系統(tǒng)，可能會引起時序匹配問題。因此必須重視電源噪聲問題。 

    

    
	
    
 

    

    
	
    

    
      
            
        
    
    
    
    
  
    

    


    
    
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