非零电源阻抗会造成电源ripple,也叫做“电源调制效应”,该效应会导致某些非线性电路的失真(比如class-B/AB amplifier、sampler等电路),直接原因是流过power的瞬态电流与input signal相关。下面是电源ripple导致线性度恶化的理论推导,实际上这是一篇JSSC’2008上发表的部分内容,这里给出简单总结和实际考虑。
简单理论
根据上面两图的图题描述,应该很好理解电源调制过程,不清楚的可以去查阅paper,这里不再复述。理论总结如下,原paper讲的是,给定双音输入,
流过power的电流表达为,
经过傅里叶级数展开,得到,
如果片上电源地之间有bypass电容,is的高频成分会被滤除,但滤不掉ωs的低频成分及其谐波(除非使用非常大的bypass电容,但这是以牺牲面积和P/G settling为代价的,不切实际),因此这些低频电流会流过电源线,与routing上的阻抗形成电源电压ripple。换句话说,实际电源电压表达为,
其中VDD为理想的干净电源电压,而ωs的ripple会与双音频率ω1和ω2发生混频调制,在ω1±ωs、ω2±ωs处产生额外的spur,这些spur中,我们很容易就能找到ω1+ωs=2ω1-ω2、ω2-ωs=2ω2-ω1处的spur,它们直接加在M1/M2管子本身产生的IM3上进而恶化电路的IM3性能,即恶化线性度,同时,幅度A2也与频率正相关,也即是频率越高,线性度越差。
实际考虑
上面以class-B amplifier为例展开分析,对于class-AB或其他非线性电路(如sampler等)具有类似的分析过程,通过分析,可以发现电源ripple与信号相关,直接影响线性度。解决方法是,对于一般精度,取合理大小的bypass电容即可,同时考虑共地问题(尤其是内部电路);但对于高精度电路,光有bypass电容还不够,具体情况具体分析,甚至可能变更电路架构,进而影响系统方案,需特别关注此问题。
以上□