一个小小的逻辑门
我们要看的第一个案例是仙童NC7SZ04超高速逆变门。该逻辑门是SOT-23封装中的单个逆变器门，是Picotest演示板的一部分，用于演示非常简单的低功耗电路中的PDN问题。逆变门被用作10MHz时钟和50欧姆端口之间的缓冲区。逻辑门的输出阻抗约为20Ω， R20在总50Ω上增加了一个额外的30Ω欧姆，以便与示波器上的同轴电缆和输入终端相匹配。电阻R18是一个0805封装膜电阻，在这里的测试中，它从0.2 Ω(如图2所示)增加到1Ω，以使设备电流信号更容易看到，因此缩放为1V/ a。这个电阻确实导致了这个问题，但它不是主要的项。
图1逻辑门缓冲电路原理图，它将高输出阻抗，10MHz时钟转换为50Ω输出。
演示PCB中包含该逻辑门的一小部分如图2所示。所显示的部分是大约1.2英寸宽的顶部提供了一些规模感。逻辑门的去耦电容，C14连接到顶部的接地平面，三个大约1/8“走线将电容连接到1 Ω电阻和逻辑门的Vcc引脚。
图2电路板的这一小部分显示了逻辑门，U3和解耦帽，C14是电流感应电阻，R18是输出耦合电阻，R20和交流耦合电容，C16。
许多人会惊讶的第一件事是逻辑门的边缘速度约为400ps，如图3所示。这张照片还显示了使用4GHz示波器和4GHz有源探针的解耦电容器上的交流电压。探头和示波器组合的上升时间约为125ps，因此测量不受测量带宽的限制。
图3逻辑门输出(上迹线)和解耦电容C14上的交流电压(下迹线)
去耦电容器的峰值电压为89mV，这对于一个5V的部件来说是合理的。逻辑门电源电压引脚处的电压如图4所示。
图4使用相同示波器和探针配对的逻辑门引脚处的交流耦合电压。
逻辑门的峰值电压已经增加到1V以上，这远远超出了大多数5V设备的最大推荐范围。这个特殊部件的工作范围非常宽，为1.65V-5.5V。在标称5V输入时，该电压仍然非常接近最大工作电压。
使用1.5GHz差分电压测量1Ω电阻上的电压和电压的频谱。测量结果如图5所示
图5使用1.5GHz差分探头和4GHz示波器通过1Ω电阻的电压(黄色迹线)和电压谱(底部绿色迹线)
非常窄的电流脉冲和快速的边缘速度意味着1.5GHz差分探头的示波器和探头组合可能不够。用20GHz示波器和13GHz差动探头进行同样的测量，结果如图6所示。
图6使用13GHz差分探头和20GHz示波器的1Ω电阻上的电压(黄色迹线)和电压谱(底部绿色迹线)显示频率含量高于4GHz。
峰峰电压分布在许多元件之间，有些是电阻的，有些是电感的。由于这些线路下没有接地平面，预计电感估计为20nH/英寸。
元素 |
特征 |
归纳 |
电阻 |
估计电感 |
解耦帽 |
主要是归纳 |
89年mvpp |
600年ph值估计 |
|
解耦帽1Ω电阻 |
主要是归纳 |
569年mvpp |
5nH (0.25 in) |
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1Ω电阻器 |
主要是电阻 |
700 mv |
- |
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1Ω电阻到Vcc引脚 |
主要是归纳 |
289 mv |
2.5 nh(0.125”) |
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总数 |
947 mv |
700 mv |
8.5 nh |
不同的信号电平使用平方根相加
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(1） |
这个简单的计算结果与图3中的实测结果非常吻合。
电感的另一个影响是这些电感痕迹辐射电磁干扰。如图7所示，用靠近电感迹线的近场H探头观察迹线。
图7设置图像显示小的1GHz近场证明在连接去耦电容到1Ω电阻的迹线处。
频谱显示出丰富的辐射光谱含量。近场探头在约1GHz时开始下降，因此谐波可能延伸到约5GHz，如1Ω感应电阻上的电压所示。
图8去耦电容和1Ω电阻之间的迹电感在近场探头中可见到丰富的EMI特征。
我们已经看到一个非常高速的CMOS逻辑门的边缘速度可以产生5GHz或更高的谐波。1Ω感应电阻允许我们得到器件的过渡能量的指示，尽管它确实有助于峰值到峰值电压。消除电阻将降低峰值电压约220mV。有几种方法可以轻松地改善这个问题。当然，可以根据所需的性能选择几种。
1.当然1Ω感应电阻应该被移除。添加它只是为了显示设备转换电流。
2.解耦电容应移动到芯片的右侧，非常靠近逻辑门的引脚7 (Vcc)
3.电容器接地应连接到设备下方的底边接地平面。
4.使用低ESL陶瓷去耦电容器和/或两个并联陶瓷电容器。
5.切换到多层PCB，以减少信号迹线与接地平面之间的距离。
