PCB设计如何用电源去耦电容改善高速信号质量

edadoc2013

高速先生成员--姜杰

大家都知道，信号的最佳回流路径是GND：对于走线而言，我们希望能参考GND平面；对于信号管脚，我们希望GND管脚伴随；对于BGA区域的高速信号扇出过孔，我们希望能被相邻的GND过孔包围。

因此，经验丰富的攻城狮一定会避免让高速差分信号置于如下的境地：BGA区域差分信号管脚的四周分布多个电源管脚（图中白色对应差分信号，绿色是GND网络，黄色是电源PWR网络），不多不少，一边一个。

理想很丰满，现实却很骨感，上图的这种情况偏偏是存在的，更要命的是，电源管脚还不能换成GND网络。

当硬件攻城狮对换PIN方案表示无能为力的时候，Layout攻城狮把求助的眼光投向了高速先生，高速先生则默默的看向本文的标题：如何用电源去耦电容改善高速信号质量？

没错，高速先生做过类似的案例。

如前所述，我们的Layout攻城狮经验丰富，在他的努力下，找到了另外一个对比模型，信号管脚周围只分布了3个电源管脚（下图中的红色圆圈）的情况。

为了高速先生仿真对比，Layout攻城狮也是非常的贴心了。

先仿真没有电容的情况。这个时候，对于走线特征阻抗100欧姆的差分信号，过孔阻抗是这样的：

阻抗曲线甚至出现了振荡。换个角度，对比衡量阻抗连续性的另外一个参数，回波损耗。对于本案例中的100GBASE-KR4信号，在基频12.9GHz以内的频段，4个电源孔情况下的最大回损-17.5dB，3个电源孔情况下的最大回损-21.9dB。

通过对比可以发现，回流地孔的增加确实改善了差分过孔的阻抗，回损也反映了同样的趋势。问题在于，无论是3个电源孔还是4个电源孔，结果都不太理想。

一直关注高速先生的朋友，一定还记得前不久的一篇文章《瞧不起谁啊！“缝合电容”我怎么可能不知道》，此时会不会突发灵感：同样是电容，电源去耦电容该不会对改善高速信号质量有帮助吧？

试试看。

每个电源管脚加上本就属于它的去耦电容，像下图这样（当然了，BGA和电容位于PCB不同的布局面，本视图是为了大家更清楚的看到二者的相对位置）。

增加电容前后，3个电源过孔情况的回损对比如下，在关注频段内，增加电容后的最大回损有较大改善。

同样的， 4个相邻电源过孔的差分过孔回损也改善了不少。整体对比情况如下图。

电源去耦电容本来是为了减小电源噪声，没想到还能顺带改善信号质量，这到底是为什么呢？

问题来了

本案例中的电源去耦电容改善信号质量的原理是什么？