在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，芯片作為核心組件，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。電源作為芯片的能量來源和邏輯狀態(tài)的參考基準(zhǔn)，其質(zhì)量直接影響芯片的工作。電源紋波作為電源質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)芯片的邏輯關(guān)系有著不可忽視的影響。深入了解紋波對(duì)芯片邏輯關(guān)系的影響機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

紋波的產(chǎn)生及特性

紋波是指在直流電壓或電流中，疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。直流電源通常由交流電源經(jīng)整流、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)形成，這一過程不可避免地會(huì)使直流穩(wěn)定量中帶有一些交流成分，即紋波。紋波的成分較為復(fù)雜，其形態(tài)一般為頻率高于工頻的類似正弦波的諧波，另一種則是寬度很窄的脈沖波。紋波電壓可以用絕對(duì)量表示，也可用相對(duì)量來表示，一般用紋波電壓與直流輸出電壓的比例，即紋波系數(shù)，來評(píng)價(jià)直流電源的濾波性能。

電源輸出紋波主要來源于五個(gè)方面。低頻輸入紋波與輸出電路中的濾波電容大小有關(guān)，電容容量無法無限制增加，導(dǎo)致輸出低頻紋波殘留。高頻紋波來源于高頻功率開關(guān)變換電路，輸出端含有與開關(guān)工作頻率相同頻率的高頻紋波，其對(duì)外電路的影響與開關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲，由于功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間存在寄生電容，導(dǎo)線存在寄生電感，在矩形波電壓作用于功率器件時(shí)產(chǎn)生。功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲，主要來源于高頻整流二極管反向恢復(fù)時(shí)二極管結(jié)電容、功率器件開關(guān)時(shí)功率器件結(jié)電容與線路寄生電感的諧振。閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲，當(dāng)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，輸出端波動(dòng)通過反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入調(diào)節(jié)器回路，可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)器自激振蕩，引起附加紋波。

紋波對(duì)芯片邏輯關(guān)系的影響機(jī)制

干擾數(shù)字信號(hào)的邏輯電平

芯片中的數(shù)字電路通過高低電平來表示邏輯狀態(tài)，理想情況下，數(shù)字信號(hào)的電平應(yīng)保持穩(wěn)定。然而，當(dāng)電源存在紋波時(shí)，會(huì)使芯片的供電電壓產(chǎn)生波動(dòng)。這種波動(dòng)可能導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)的邏輯電平在高低電平之間出現(xiàn)抖動(dòng)。例如，原本穩(wěn)定的高電平可能因紋波干擾而瞬間降低，當(dāng)這種抖動(dòng)超過芯片所能識(shí)別的閾值范圍時(shí)，芯片可能會(huì)將其誤判為低電平，從而產(chǎn)生誤碼。在高速數(shù)字電路中，信號(hào)的切換速度極快，對(duì)電源的穩(wěn)定性要求更高，紋波更容易引發(fā)誤碼問題，嚴(yán)重影響芯片的數(shù)據(jù)傳輸和處理準(zhǔn)確性。

影響模擬電路的性能

芯片中通常包含一些模擬電路模塊，如放大器、濾波器等。模擬電路對(duì)電源的穩(wěn)定性要求極為嚴(yán)格，電源紋波會(huì)直接影響模擬電路的性能。紋波作為一種噪聲信號(hào)疊加在電源上，會(huì)被模擬電路放大，導(dǎo)致輸出信號(hào)中混入額外的噪聲成分，降低信號(hào)的信噪比。在音頻芯片的模擬音頻放大電路中，如果電源紋波過大，放大后的音頻信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)明顯的雜音，影響音質(zhì)。在精密測(cè)量芯片的模擬前端電路中，紋波干擾可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，降低測(cè)量精度。

破壞邏輯電路的時(shí)序關(guān)系

芯片內(nèi)部的邏輯電路依靠精確的時(shí)序來協(xié)調(diào)工作，各個(gè)邏輯門的開關(guān)動(dòng)作需要在特定的時(shí)間點(diǎn)完成，以確保數(shù)據(jù)的正確處理和傳輸。電源紋波引起的電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生抖動(dòng)。時(shí)鐘信號(hào)是芯片時(shí)序的基準(zhǔn)，其抖動(dòng)會(huì)使邏輯電路的時(shí)序關(guān)系被打亂。在微處理器中，指令的讀取、譯碼和執(zhí)行都依賴于準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)，如果時(shí)鐘信號(hào)因紋波干擾而抖動(dòng)，可能導(dǎo)致指令執(zhí)行錯(cuò)誤，進(jìn)而影響整個(gè)芯片系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

紋波對(duì)不同類型芯片的影響實(shí)例

數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)

DSP 常用于數(shù)字信號(hào)處理，如音頻、視頻信號(hào)處理等領(lǐng)域。在音頻處理應(yīng)用中，DSP 需要對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的數(shù)字運(yùn)算。若電源紋波過大，會(huì)使 DSP 在處理音頻數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生誤碼，導(dǎo)致音頻信號(hào)失真，出現(xiàn)雜音、爆音等問題。在視頻編碼應(yīng)用中，紋波干擾可能使 DSP 在處理視頻數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致視頻畫面出現(xiàn)花屏、卡頓等現(xiàn)象。

微控制器(MCU)

MCU 廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)控制和管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。電源紋波可能導(dǎo)致 MCU 的程序計(jì)數(shù)器(PC)出現(xiàn)錯(cuò)誤跳轉(zhuǎn)，使程序跑飛。MCU 在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，紋波引起的電壓波動(dòng)可能干擾中斷信號(hào)的正常識(shí)別和處理，導(dǎo)致中斷響應(yīng)異常，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

運(yùn)算放大器芯片

運(yùn)算放大器常用于信號(hào)放大、濾波等電路中。電源紋波會(huì)直接疊加到運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)上，降低信號(hào)的質(zhì)量。在一個(gè)高精度的傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)中，運(yùn)算放大器用于放大傳感器輸出的微弱信號(hào)，如果電源紋波過大，放大后的信號(hào)中會(huì)混入大量噪聲，嚴(yán)重影響傳感器的測(cè)量精度，甚至可能使系統(tǒng)無法準(zhǔn)確檢測(cè)到被測(cè)量信號(hào)。

抑制紋波對(duì)芯片影響的措施

優(yōu)化電源設(shè)計(jì)

在電源設(shè)計(jì)階段，選擇合適的整流電路，如在成本和體積允許的情況下，采用全波或三相全波整流電路，可有效減少輸入紋波。加大濾波電路中電容的容量，使用效果更好的 LC 濾波電路，能夠降低紋波的幅度。對(duì)于對(duì)紋波抑制要求很高的地方，選用模擬穩(wěn)壓電源而非開關(guān)電源，因?yàn)槟M穩(wěn)壓電源在抑制紋波方面具有更好的性能。

合理的 PCB 布局布線

在印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)中，合理布局電源和芯片的位置，縮短電源到芯片的供電線路長(zhǎng)度，減小線路阻抗，降低紋波在傳輸過程中的影響。將信號(hào)線路和電源線路分開布局，并進(jìn)行良好的電磁屏蔽，避免電源紋波通過電磁耦合干擾信號(hào)線路。減小功率回路的面積，特別是在開關(guān)電源電路中，減少快速變化的電流回路面積，可降低對(duì)其他部分的干擾。

使用電源管理芯片

電源管理芯片能夠?qū)﹄娫催M(jìn)行有效的控制和調(diào)節(jié)，提高電源的穩(wěn)定性，降低紋波。一些先進(jìn)的電源管理芯片具有自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓、補(bǔ)償紋波的功能。通過反饋機(jī)制，電源管理芯片可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓的變化，當(dāng)檢測(cè)到紋波時(shí)，自動(dòng)調(diào)整內(nèi)部電路參數(shù)，對(duì)紋波進(jìn)行抑制，確保為芯片提供穩(wěn)定的電源。

結(jié)語

電源紋波對(duì)芯片的邏輯關(guān)系有著多方面的影響，從干擾數(shù)字信號(hào)的邏輯電平、影響模擬電路性能到破壞邏輯電路的時(shí)序關(guān)系，嚴(yán)重威脅芯片的正常工作。隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的集成度越來越高，工作電壓越來越低，對(duì)電源紋波的敏感度也越來越高。在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須充分重視電源紋波問題，通過優(yōu)化電源設(shè)計(jì)、合理的 PCB 布局布線以及使用電源管理芯片等措施，有效抑制紋波，確保芯片能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，從而提高整個(gè)電子系統(tǒng)的性能和可靠性。