如今的 PCB 使用的是 CMOS 數(shù)字器件，當邏輯緩沖器切換狀態(tài)時，可能會出現(xiàn)兩種類型的瞬態(tài)電流行為。基本的 CMOS 反相器排列方式是使用兩個 MOSFET 連接到一個輸入端，單個 CMOS 反相器會根據(jù)從關(guān)斷到接通或從接通到關(guān)斷的切換情況，表現(xiàn)出兩種類型的瞬態(tài)響應。具體如下：

接地反彈

這是電流進入 PDN 時最常見的瞬態(tài)電壓效應。發(fā)生這種情況時，接地參考平面上會出現(xiàn)電壓上升，而 PDN 上的正電壓軌則保持不變。

軌道塌陷

這種現(xiàn)象被稱為 PDN 紋波或電源軌紋波，不要將其與整流交流信號輸出端的紋波混淆。當瞬態(tài)電流在 PDN 上傳播時，PDN 的阻抗會在正電壓軌上產(chǎn)生電壓波動。

在這兩種情況下，都會導致在正電壓軌和負 (GND) 電壓軌之間測量到的電壓出現(xiàn)波動。只需測量設備中電源和接地平面之間的電壓（例如使用示波器），就會發(fā)現(xiàn)連接到 PDN 的器件出現(xiàn)電壓波動。在接地引線或電源引線處可能測量到的基本瞬態(tài)效應如下所示。

PDN 瞬態(tài)電流變化導致接地反彈和軌道塌陷。

當集成電路中的邏輯電路切換狀態(tài)時，上述兩種效應都取決于 PDN 瞬態(tài)電流的變化。在實際的集成電路中，會有許多邏輯電路同時切換，從而產(chǎn)生接地反彈和軌道塌陷的復雜組合。總體而言，這兩種效應結(jié)合在一起會產(chǎn)生復雜波形，可以在電源軌上測量到。這兩種效應的區(qū)別在于電流的流向和電流路徑中存在的寄生元素。

當正電壓供電軌上的瞬態(tài)電流進入 PDN 時，就會發(fā)生軌道塌陷?？梢詫?PDN 建模成一個 RLC 網(wǎng)絡，與任何具有一定電抗的系統(tǒng)一樣，它可以表現(xiàn)出類似于阻尼振蕩的瞬態(tài)響應。這種效應的整個過程如下：

在步驟 4 中我們可以發(fā)現(xiàn)，較高的 PDN 阻抗會導致電源總線上的電壓波動過大。此時的解決方案是盡可能降低 PDN 阻抗。為此，需要巧妙地選擇去耦電容，并放置相鄰的電源/接地平面，以確保較高的平面間電容。

當 CMOS 反相器關(guān)斷，走線/參考平面電容放電時，就會發(fā)生接地反彈。與電流流經(jīng) PDN 正極的情況一樣，流經(jīng)集成電路接地端口的電流也會出現(xiàn)各種寄生效應，這些寄生效應也會產(chǎn)生無功阻抗。接地反彈產(chǎn)生電壓尖峰的過程如下：

1. CMOS 反相器的低電壓端接通，存儲在走線/參考平面電容中的電流放電。

2. 該電流流經(jīng)集成電路的接地平面，進入集成電路芯片上的連接線。電流從連接線流過集成電路封裝上的引腳，再通過一個過孔回到接地平面。

3. 沿 PDN 出現(xiàn)的電壓尖峰是由于流向接地的電流路徑上的總電感產(chǎn)生了反向電磁場。

4. 然后，該電壓尖峰作為阻尼振蕩降至零。

通過 CMOS 反相器的 PDN 瞬態(tài)電流路徑。

此時，接地反彈主要是由接地引線中的電感造成的。當集成電路反復開關(guān)時，多個接地反彈尖峰結(jié)合在一起，產(chǎn)生能在電源軌上測量到的復雜強迫振蕩（見下圖）。

在上述兩種情況下，有一點需要注意，PDN 實際上是一個多端口網(wǎng)絡。電源軌上的電壓不僅會影響開關(guān)器件的直流電源，它還會導致 PDN 上所有器件的直流電源產(chǎn)生一些波動。在仿真中，不同端口的阻抗之間的這種關(guān)系通過 Z 參數(shù)或阻抗參數(shù)進行量化。該參數(shù)矩陣定義了 PDN 中某個端口的電壓波動與 PDN 中所有端口的電流之間的對應關(guān)系。

利用高級 PCB 設計工具中的 3D 電磁場求解器，可以提取這些網(wǎng)絡參數(shù)。如果需要快速提取 Z 參數(shù)，最好使用與您的 layout 工具集成的仿真套件；這樣無需在另外的仿真工具中重新為 PCB 創(chuàng)建新模型，即可輕松查看 PDN 的哪個部分具有高阻抗。