線(xiàn)性穩壓器：工作原理極其補償

需要注意的是，只要漏電流隨電壓?jiǎn)握{遞增都將得到這個(gè)負反饋（例如MOSFET）。這樣就保證了(3)式中在任何時(shí)刻都至少有兩項大于等于零。

對于更高的頻率，(3)式中剩下的項不能再被忽略。假設我們現在切斷負載電流。電源噪聲可以被寫(xiě)為：

在Q>0.5的電網(wǎng)中，當噪聲源關(guān)掉之后，網(wǎng)格要繼續振蕩大概Q個(gè)周期。系統的Q值取決于L和C中儲存的能量與R中消耗的能量比值。如果系統是為高效輸能（高Q）而設計的，那么在連續的周期中，網(wǎng)格里產(chǎn)生的噪聲能量在單周期里要保持一個(gè)更大的比例。這個(gè)能量足以支持IC中的負載。然而，低功耗系統還擁有很大的動(dòng)態(tài)電壓消沉，特別在共振頻率wo附近的時(shí)候。即使設計者使用諸如低漏電流工藝和電路設計技術(shù)這樣的用來(lái)降低能量損失的設計，動(dòng)態(tài)噪聲的增大也是無(wú)法避免的。ANR給設計者提供了高速系統中降低噪聲而不會(huì )產(chǎn)生額外的熱量的方法。用ANR增大系統Q值，不是通過(guò)降低電阻，而是利用了隨電壓成平方增長(cháng)的電容中的能量來(lái)給負載供電的優(yōu)勢。這個(gè)可以在負載端保持高電壓而低能量損失的優(yōu)勢自從輸電技術(shù)的早期就為人所熟知?，F在在高速系統中可以通過(guò)ANR來(lái)發(fā)揮這個(gè)優(yōu)勢。

有源VLSI封裝中，一個(gè)嚴重的限制是芯片電容儲存電荷的能力遵從下面的關(guān)系：

這里使用的是單位面積的電荷和電容，E是儲存電荷設備里的電場(chǎng)強度。

在一個(gè)MOS電容里，芯片內集成的單位面積的電容很典型。大多數的生產(chǎn)工藝都盡量使MOS電容的尺寸（柵絕緣層厚度）達到最小，接近于柵絕緣層可靠性的極限。因此，在MOS電容中使用更高電壓來(lái)提高電位面積的儲存電荷（和能量）的方案是不可行的，既然耐高壓設備必然要有一個(gè)更厚的柵絕緣層，因此就要跟所求的高壓大致成比例地降低單位面積的電容。

封裝電容的重要性已經(jīng)在一些大面積處理器制造商的生產(chǎn)中廣泛體現出來(lái)。即使是出現一個(gè)land-side封裝電容，集成的對模（on-die）電容配額似乎也無(wú)法適應元件的性能（最大頻率）。Land-side封裝電容緊貼在處理器封裝襯底的對面的下面，這樣封裝襯底的厚度將這個(gè)電容和處理器電路分隔開(kāi)來(lái)。這是裝配中離電路最近的電容之一，它的電容值很大，無(wú)論從物理還是從電學(xué)角度，它都積累了很多的電荷。換句話(huà)說(shuō)，集成的芯片電容會(huì )很大。因此，降低噪聲的電容值要比設計的封裝電容大得多。因此封裝電阻在保持處理器電源完善性上顯得更加有效。

另有實(shí)踐經(jīng)驗證明，保留一少部分而取消大多數封裝電容對處理器的性能的影響也似乎很小。這個(gè)結果表明理解一個(gè)芯片格中動(dòng)態(tài)噪聲的準確的空間和時(shí)間性質(zhì)的重要性；一個(gè)弱動(dòng)態(tài)噪聲位置或者芯片的動(dòng)態(tài)噪聲不符合一個(gè)臨界電路或電路路徑處的封裝電容在優(yōu)化電源完善性管理的時(shí)候不會(huì )很有用。

像封裝電容這樣的無(wú)源設備的一個(gè)關(guān)鍵限制就是它們是“reactive”設備。換句話(huà)說(shuō)，它們會(huì )根據周?chē)碾妼W(xué)條件的變化而有所反應。因此只有在一個(gè)電容兩端有很明顯的電壓變化率的時(shí)候，它才可以提供一個(gè)電流。所以，當一個(gè)電容被當作電荷池的時(shí)候，它們不能主動(dòng)地提供大量電荷來(lái)消除電壓的瞬間或暫態(tài)變化。它只有遇到一個(gè)很顯著(zhù)的電壓變化或者消沉的時(shí)候才會(huì )提供電荷。

另外，這些電容的有效串聯(lián)電阻（ESR）和有效串聯(lián)電感（ESL）有個(gè)確定的值，因此用生產(chǎn)和設備設計改進(jìn)來(lái)降低這些干擾因素的值是沒(méi)有幫助的。然而低ESR值卻有助于最小化提供電荷的電容電壓和能耗。而低ESR無(wú)助于抑制負載性質(zhì)變化引起的供電格振蕩。所以無(wú)源設備對消除供電電壓變化沒(méi)有幫助。

在有源VLSI封裝中，封裝電容與land-side ANR設備結合在一起（圖6）。這些結果把高壓池電容和控制電路放在距離處理器和SoC模正好一個(gè)封裝襯底厚度的位置。ANR設備利用這些電荷池的高電能儲存能力來(lái)給對模（on-die）電源格預儲存電荷。那么這個(gè)技術(shù)就可以主動(dòng)控制動(dòng)態(tài)電源噪聲而消耗最少的能量。另外，主動(dòng)噪聲控制器提供了一個(gè)將動(dòng)態(tài)抑制阻抗引入到芯片的輸電系統中的方法，這樣就事先控制了供電共振。

圖6：ANR和LVR設備可以安裝到封裝或PCB上，這樣就可以確保阻抗很小，并且連接到高性能IC的延遲路徑也最短（專(zhuān)利申請中）。

本地電壓調節器（LVR）中的ANR的發(fā)展提供了極高的帶寬、封裝能力、高效能量轉換。LVR利用與封裝電容和連接芯片電源格的供電路徑相關(guān)的干擾因素來(lái)提供極高的變頻能量轉換能力。LVR陣列增強了外部低壓供電并很大程度地提高了整個(gè)輸電系統的帶寬。這樣使高能SoC元件可以快速地調制電路的供電電壓以便于最小化平均耗電。使LVR與負載元件更加接近能夠確保SoC和LVR陣列的快速溝通，從而使供電電壓快速轉換，也有助于利用動(dòng)態(tài)能量管理系統降低能耗。

結論

系統級模擬方法顯示有源噪聲調整可以被用于低能量損失格中的噪聲控制。這些工具和設計理念允許系統設計者提高對低噪聲高速系統的最小化能耗設計靈活性。另外，作者認為封裝不只限于提供能量和信號連接的通路，它還可以做很多事情。在RF和高速設計中，有一個(gè)現象越來(lái)越明顯，那就是封裝元件可以作為高性能無(wú)源器件以增強IC性能。RFID元件的封裝為電路提供了能量。使封裝元件更接近于IC，可以使它與SoC芯片更主動(dòng)更同步，并且給能量和信號完善性管理提供了有效廉價(jià)的系統解決方案。ANR和LVR設備和陣列可以以無(wú)損方式修改已有IC和能量完善性管理系統的封裝結構。電路和系統封裝將在系統功能和性能中扮演一個(gè)“積極”的角色，并將集成推動(dòng)到納米技術(shù)時(shí)代。