基础电路设计（十四）高速、高封装密度电路的噪讯对策技术

作者：信息来源:www.pcbtech.net 2008-5-12

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最近几年电子device高速化、高密度化的进步人目不暇给，电子回路也随着这股潮流朝向高密度封装方向发展。虽然电子device的性能获得飞跃般的提升，相对的造成电子device根本宿命更加复杂，也就是说祇要是与利用电气能量的技术，注定要与电子噪讯(noise)产生无法割舍的纠缠。所谓的噪讯(电磁波EMI: Electro Magnetic int...

最近几年电子device高速化、高密度化的进步目不暇给，电子回路也随着股潮流朝向高密度封装方向发展。虽然电子device的性能获得飞跃般的提升，相对的造成电子device根本宿命更加复杂，也就说祇要是与利用电气能量的技术，注定要与电子噪讯(noise)产生无法割舍的纠缠。

所谓的噪讯(电磁波EMI: Electro Magnetic interfere与静电SI:Static interfere )对策技术原本属于电路设计的范畴，而不是事后防止噪讯发生或是强化耐噪讯能力，根本上必需根据设计条件赋与电路最适切的layout才是治本上策。

高速化、高密度化的冲击

电路高速化、高密度化对噪讯对策技术所带来的冲击，使得设计人员必需面临图1所示的对策技术。
　

图1 电路高速化、高密度化所带来的冲击与有效的噪讯对策技术

(1).电路高速化的冲击

电路高速化后影响最大莫过于电磁气现象，相对于物理尺寸的电气度(频率×物理尺寸)，基本上因频率数而变大，使得阻抗相对变得更加复杂，决定电流通路的阻抗(impedance)之中有两个电抗(reactance)的影响最大，分别是:

电气长度的增加

频率越高相对的电气长度也越长，这意味着即使是相同的物理尺寸，由于波长的因素，使得分布于电子组件与配线的电磁界也不尽相同。如果分布于电子组件与配线的电磁界位相相同，且对外部都无影响时，基本上就可将处理对象视为近似集中定数电路。事实上波长越短分布的电磁界位相如果不一样时，就必需以分布定数电路来处理。此外相对于能量行进方向所决定的电磁界特性若不相同时，则需以三次元电磁界方式来处理。

电抗(reactance)增加的影响

几乎所有电子组件与配线都会有阻抗、电感(inductance)、电容 (capacitance) 成份，而且各成份所受到频率的影响程度也都不同。一般而言电子组件的阻抗、电感、电容之中，又以所谓的电抗动作成份最明显。需注意的是上述统称的电抗，通常是指低频领域所产生的现象，当频率变高时该称通有必要重新思考定义。有关配线在高频领域，电流并不见的祇沿着电路图描的配线流动，根本上电流是在阻抗较小的路径上流动，因此电路图未描绘处如果发生电磁界结合时就会产生电流通路，此时就必需将电路配线视为三次元电磁界进行封装对策。

de-coupling capacitor的界限

de-coupling capacitor在噪讯对策具有非常重要的效益，因此接着要以de-coupling capacitor为例，具体说明电路高速化后的冲击。通常将高频成份作旁通(bypass)的电容器(capacitor)，在高频领域并无法获得预期的动作效应。图2是实验用印刷电路板(PCB:Printing Circuit Board)上74ALVC IC周围的近傍磁界分布状况，由图可以清楚看到频率为200MHz时，电容器将电源的高频电流完整的旁通(bypass)；不过当频率变为900MHz时，电容器几乎无法将电源的高频电流旁通。流向IC的接地(ground)电流，是由接地配线trace供给，而右上方未连接处IC接脚(pin)有一股强大的磁界流向IC芯片(chip)电源部，一般认为该现象是部分电源电流是由右上方IC，经由IC芯片路径提供所造成的，在这种情况下即使印刷电路板的电源配线(亦称为导线)IC，与右上方接脚IC芯片电源部结合，电源电流依然会流通。

此外频率为900MHz时，电源配线对的电源配线与接地配线的磁界强度并不相同，因此推测流通的电流也不相同。造成这种现象主要原因是当频率增高时，电源配线端与接地配线的阻抗差异亦随着加大，最后导致电流的平衡度劣化。由此可知de-coupling技巧本身对噪讯对策具有决定性的影响。

图2 高频de-coupling capacitor周围磁界分布

(2).高密度化封装的冲击

电路高速化后电磁气的扩散会缩小，对噪讯对策而言，条件变好的情况反而有增多的趋势。若从电子电路封装角度观之，电路的功能几乎被浓缩在LSI内，所以高频电流大多集中在LSI内，因此LSI内若未进行有效的噪讯对策的话，一旦组成电子成品后就无计可施，此外随着IC大规模积体化，封装时各电子组件的适用性经常受到额外的限制，造成与性能无关的电子组件与结构体很容易受到排挤，因此利用外部屏障(shield)结构作噪讯对策，与各种噪讯对策用单体组件的适应性，今后将面临极大的挑战与质疑。

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