6-1. 简介
本文将着眼数字IC电源线，就如何稳定电源电压、消除噪声进行介绍。
我记得在我初学电路的上世纪80年代，书上写着需要在IC电源上安装电容器的知识点。当时数字信号的频率约为5MHz，在IC近旁配置带导线的0.1µF陶瓷电容器，并在其周围安装10µF电解电容器。
当时电容器的安装方法并不明确，但随着100MHz以上高速信号的使用，电容器的安装位置以及电容量的选择等，已成为了关键的专业技术要点。近年来，由于高速数字IC的信号电压降低，电源电压的变动（电源完整性 : Power Integrity/PI）影响信号波形（信号完整性 : Signal Integrity/SI），从而导致故障。
6-2. 电源线的电容器必要性
6-2-1. 电源线上需要电容器的理由
首先，我们以数字IC为例来介绍电源线上需要电容器的理由。
我们使用电路模拟器对电源和信号的电压波形、电流波形进行模拟。模拟模型如图2-1所示，波形的模拟结果如图2-2所示。在此只对数字IC的驱动部进行了简单建模。将两个串联的开关（SW1和SW2）交替ON/OFF。当SW1打开、SW2关闭时，电流从DC电源流向负载，信号上升。当SW1关闭、SW2打开时，负载电流泄放至GND，信号下降。最终从驱动IC输出矩形波。另外，将DC电源流向GND的方向定义为电流正极。
接下来如图2-3所示，模拟了因电源线和IC封装存在电感器L1时的波形。模拟结果如图2-4所示。
- 电源线上有流向负载的充电电流，但如果不存在电感器L1，IC的电源电压Vcc将无波动（不会产生纹波电压）。
- 如果存在电感器L1，其两端会产生电位差，Vcc将产生纹波电压。
- 电感器L1的电感越大，电流越难流动，因此充电时间越长。因此，信号电压Vout波形的上升时间也会变长。
如果在IC附近的电源与GND之间安装电容器，便可抑制纹波电压。
这是因为IC所需的瞬态电流是由此电容器提供的。
追加电容器后的模拟模型如图2-5所示，模拟结果如图2-6所示。
由此可知，通过追加电容器，Vcc的纹波电压减小，信号电压波形Vout的上升时间缩短。
在此负载为10pF的模拟模型中，当电容器为1000pF时，静电容量不足，Vcc纹波电压较大，Vout也会出现波动。当电容器为1µF时，纹波电压被抑制，信号变为矩形波。如果在IC附近安装具有足够电容量的电容器，便可以抑制纹波电压。也就是说，如图2-7（a）所示，需要电容器发挥用于提供瞬态电流的电源作用。如图2-7（b）所示，这也可以被视为用于消除纹波的低通滤波器。
6-2-2. 电容器的特性
噪声之所以被旁路至GND，是因为电容器的阻抗较小。理想的电容器阻抗-频率特性如图2-8所示。随着频率的增加以及电容量的增大，阻抗将会减小，因此视为滤波器时，瞬态电流（噪声）将被旁路至接地（GND）。因此，电源线上的电容器被称为旁路电容器（by-pass capacitor）。此外，由于其可阻止噪声传播，因此也被称为去耦电容器。电容器阻抗越小，这种对GND的噪声旁路效果将更为显著。此外，当视为电池时，电容器的阻抗越小，供电的速度就越快。因此，阻抗被用作评估电容器性能的指标。
然而，实际上电容器内部含有等效串联电感（Equivalent Series Inductance/ESL）和等效串联电阻（Equivalent Series Resistance/ESR）。电容器的等效电路如图2-9所示。基于此ESL的阻抗如图2-10所示，随着频率的增加而增大。因此，在超过某个频率（自谐振频率 : Self Resonance Frequency/SRF）后，阻抗会随着频率的增加而增大。如果阻抗因ESL和ESR而增大，则对噪声旁路至GND的效果就会减弱。如果安装电容器的图案电感较大，则噪声旁路效果将会进一步减弱。
如果减小电容量，高频段的阻抗将会减小，但如图2-11所示的结构相似的电容器，自谐振频率以上的阻抗不会减小。这是因为此处选择的电容器ESL值相同。
6-3. 降低高频阻抗的方法
下面将介绍通过电容器的配置和选择降低高频阻抗的方法。
6-3-1. 电容器的安装图案
安装电容器的图案阻抗也是需要解决的问题，因此首先应考虑重新设计电源图案，尽量降低IC电源端子-电容器-GND端子之间的阻抗。涵盖了图案的阻抗模拟结果如图3-1所示。如果电感随着图案长度的增加而增大，自谐振频率将会降低，高频阻抗增大。也就是说，为了减小阻抗，关键是要将安装电容器的图案设计的粗而短。
如果使用多个电容器，便可降低阻抗。使用多个相同电容量的电容器时的阻抗模拟结果如图3-2所示。通过增加电容器的数量降低阻抗，且可增加电容量。尤其是在因耐压关系而使可选择的电容器受限时，这种方法非常有效。
组合使用不同电容量值的电容器，也可降低阻抗。但是，如果使用电容量差异较大的电容器，可能会因反谐振产生阻抗较大的频率。图案电感越大，这种现象就更加显著。
并联使用1000pF与1µF时的阻抗模拟结果如图3-3所示。
在电容器的自谐振频率之间，发生了阻抗增大的反谐振现象。在某些电容器中，该反谐振频率下的阻抗可能会更高。
如果电容量相同，此反谐振的影响将会减小。此时的阻抗模拟结果如图3-4所示。如果图案相同，自谐振频率将保持不变，可以减少整体阻抗。如果图案不同，由于各自的阻抗不同，就会产生反谐振。但是，在反谐振频率下，由于自谐振频率附近的阻抗较小，因此阻抗增加的影响减小。
6-3-2. 低ESL电容器
将电容器配置在IC的背面为理想状态，但因诸如智能手机等基板厚度的限制，有时只能将电容器配置在IC周围。此时将面临安装电容器的图案电感的问题。此外，由于安装空间的限制，可能无法配置多个电容器。
这种情况下，只能通过改良结构及电极材料，使用ESL更低的电容器。在此介绍经过结构改良的LW逆转电容器和三端电容器。此类结构如图3-5所示，阻抗-频率特性如图3-6所示。
- LW逆转电容器通过增加图案宽度来减小ESL。
- 三端电容器通过增加GND端子数量进一步减小ESL。
6-4. 电源线的静噪对策
以上介绍了保持电源线的电源完整性和信号完整性的方法。接下来就电源线对噪声的影响及其对策进行讲解。
6-4-1. 电源线的噪声
我们通过组合电路模拟器与3D电磁场模拟器，对电源线的噪声进行可视化。导出了磁场分布和辐射发射。
模拟模型如图4-1所示。使3D电磁场模拟器与电路模拟器联动。
图4-1（a）是3D电磁场模拟器使用的模型。对电路板进行建模。背面为整面GND的双面电路板。DC电源与驱动IC之间的电源图案为200mm。驱动IC与接收器IC通过长度为5mm的信号图案连接。之所以通过信号图案而非在IC间直接连接，是为了识别信号引起的噪声。此外，电源图案上绘制的电容器是用于指示安装位置的虚拟电容器。图4-1（b）是电路模拟器使用的模型。
通过模拟导出辐射发射、电源线上的电压和电流分布以及磁场分布。如图4-2所示，辐射发射是指在水平方向及垂直方向转动电路板时距离3m的点的电场强度上限。
磁场分析面如图4-3所示，定义为GND图案的电源图案侧。
电压和电流的模拟结果如图4-4所示。
由于未进行阻抗匹配，电压和电流根据电源图案的位置而异。由于电源图案的两端是电容器，阻抗较低，因此电压较低，电流较大。电压除以电流导出阻抗。阻抗也因电源图案的位置而异。
辐射发射的模拟结果如图4-5所示。
由于信号是40MHz的矩形波，因此辐射40MHz的谐波。辐射发射的频率上限为360MHz。为了分析360MHz辐射较强的原因，我们还进行了磁场分布的模拟。其结果如图4-6所示。
图4-6 在信号线上安装铁氧体磁珠时的磁场分布模拟结果（360MHz）
由此可见，驱动IC与接收器IC之间的信号图案周围的磁场分布极强。
这种情况下，电源图案上不仅传播纹波引起的差模噪声，还可能传播信号引起的共模噪声。
6-4-2. 信号线上共模噪声的静噪对策
信号引起的噪声可以通过安装电阻或铁氧体磁珠来抑制电流达到静噪目的。如图4-7所示，此处安装了铁氧体磁珠。铁氧体磁珠的特性如图4-8所示。
图4-8 安装的铁氧体磁珠的阻抗特性
（铁氧体磁珠BLM 120Ω at 100MHz）
安装了铁氧体磁珠后的磁场分布如图4-9所示。
由此可见，信号图案周围的磁场得到了抑制。
图4-9 在信号线上安装铁氧体磁珠后的磁场分布模拟结果
此外，安装铁氧体磁珠后，负载的阻抗也会改变，因此电源电流也会受到影响。
电压波形与电流波形的模拟结果如图4-10所示。由于铁氧体磁珠限制了信号电流，电源电流也受到了限制。因此，电流波形的峰值减小，宽度变宽。
也就是说，通过在信号线上安装铁氧体磁珠，信号引起的共模噪声和纹波引起的差模噪声都得到了抑制。
图4-10 在信号线上安装铁氧体磁珠后的电压和电流的模拟结果
辐射发射的模拟结果如图4-11所示。
辐射发射整体上有所减少。然而，360MHz的辐射虽然减少了3dB，但仍然较高。
图4-11 在信号线上安装铁氧体磁珠后的辐射发射模拟结果
6-4-3. 在电源线上追加电容器
另外，我们还研究了360MHz辐射发射的对策。
为了抑制差模电压和电流，追加了电容器并进行模拟。模型如图4-12所示，模拟结果如图4-13所示。
虽然增加了1µF的数量，但辐射发射、电压和电流分布并无变化。电容器通过降低阻抗将电流旁路到GND。因此，如果阻抗已经较低，追加电容器的效果会减弱。在本次的模型中，电容器的阻抗为240Ω（at 360MHz），而IC电源侧的阻抗为4Ω（at 360MHz），处于较低状态。因此，追加电容器后阻抗并未降低，电压和电流也未得到抑制。
6-4-4. 在电源线上追加铁氧体磁珠
在【第2部分】第1次的“数字电路静噪对策部件的区分使用”中，介绍了在未进行阻抗匹配的情况下，阻抗根据传输线路的位置和频率而异，并由此影响滤波器效果的相关内容。
当阻抗较低时，串联电阻或铁氧体磁珠的效果更为显著。当阻抗较高时，并联电容器的效果更为显著。
因此，此处在电源线上安装了铁氧体磁珠。模拟模型如图4-14所示，模拟结果如图4-15所示。
360MHz的辐射发射减少了13dB。通过追加铁氧体磁珠，成功抑制了追加电容器的对策无法解决的差模噪声。因此，原则上电源线是在IC附近安装电容器，并根据需要安装铁氧体磁珠。
另一方面，如【第2部分】第1次“数字电路中静噪对策部件的区分使用”所介绍的，原则上在IC输出端安装电阻或铁氧体磁珠，并根据需要追加电容器。也就是说，在IC的电源输入端和信号输出端安装滤波器的思路刚好相反。
6-4-5. 电源线用铁氧体磁珠
相比信号线用的铁氧体磁珠，电源线用的铁氧体磁珠直流电阻被设计得更低。这是为了减少电源电压的下降。
表4-1 信号线用与电源线用铁氧体磁珠的直流电阻差异
（1.6×0.8mm尺寸、120Ω at 100MHz）
6-5. 总结
在开头的章节中，介绍了通过抑制电源的纹波噪声来确保电源完整性，以及电容器在保持信号完整性中的必要性。关键是要减小电容器与IC之间的电感，并确保根据负载选择合适的电容量。根据需要，可以增加电容器的数量或选择低ESL的电容器。
在下一章节介绍了静噪对策。如果仅通过追加电容器无法充分抑制差模噪声，可通过追加铁氧体磁珠显著提升效果。