线性稳压器：工作原理极其补偿

2：在一个高速系统中使用ANR的分布式模型的模拟结果。曲面显示了芯片表面所有点的供电变化Δ（Vdd－Vss）。这个模型包括了一个计算格导线电势变化的电场解。这个工具还计算了电介质中的电压变化。在一个标准单核工作站（包含ANR功能）上运行一个6ns、15个时钟周期的模拟需要大概10分钟左右的时间。

曲面右侧的负载工作于没有ANR的状态，而左侧的负载显示了包含ANR功能以后对于同样的负载电流的格响应。我们可以看到：在ANR开启以后，电压消沉或减低性能的噪声显著地减弱了。

图3显示了在芯片格接近两个负载中心位置的供电电压。

图3：在芯片表面包含与未包含ANR的负载电流引起的供电噪声。当节电状态变化时，功能块被打开或关闭，这时，设备通过ANR的过滤器调整到更低频率的系统级暂态。高频噪声也显著降低。

从这些结果来看，很显然，ANR对控制低频系统级暂态特别有效。当检测到消沉的时候，ANR可以同样有效地检测到过充。低频消沉和过充与供电电路电感与封装和系统板电容有关，在高速系统里常常是影响性能的最重要的噪声元件。ANR可以被用于降低各种频率的噪声幅。它们也可以修改频谱以便把供电噪声移动到系统共振频率以外。这个移动的效果如图4。图4还显示了沿着两条长导线的噪声传播。a曲线被连到ANR电路附近的封装格，b曲线位于没有ANR的负载附近。ANR引起的频率移动和对应的波长减小对系统的噪声都有明显的影响。

图4：沿着两条导线的分布式Vdd和Vss供电变化。该模拟包含了一个连接到芯片场解的对称导线对的列表。ANR通过减弱临近导体的共振来改变噪声频谱。

动态噪声取决于漏电流和电压

电源噪声的频谱构成的考量对寻求系统中的速度和功耗的平衡点很重要。图5中是一个简化了的系统功耗格模型。

图5：简化的功耗格模型

在这个模型中，负载端压降由下式给出：

一般来说，负载电流（I）是供电噪声的非线性函数，并且(3)只有数字解。然而，我们可以看到一些对负载电流使用近静态近似的典型的功耗格性能的原委。例如，今天的先进工艺相对于过去有着更高的静态漏电流。动态压降提供了一个可以降低总体噪声级别的负反馈，漏电流也随之迅速下降。对系统负载电流做一次近似（三极管漏电流随供电电压线性增长）：

这样一个大静态漏电流使系统噪声整减弱。然而，依靠静态漏电流的减弱效应意味着系统能耗要远高于它的需要。并且，在任何情况下，即使有了大静态漏电流对总功耗的贡献，IC中任一特殊位置的同步动态电流密度峰值好像都比同一地点的单位面积静态电流大得多。

需要注意的是，只要漏电流随电压单调递增都将得到这个负反馈（例如MOSFET）。这样就保证了(3)式中在任何时刻都至少有两项大于等于零。

对于更高的频率，(3)式中剩下的项不能再被忽略。假设我们现在切断负载电流。电源噪声可以被写为：

在Q>0.5的电网中，当噪声源关掉之后，网格要继续振荡大概Q个周期。系统的Q值取决于L和C中储存的能量与R中消耗的能量比值。如果系统是为高效输能（高Q）而设计的，那么在连续的周期中，网格里产生的噪声能量在单周期里要保持一个更大的比例。这个能量足以支持IC中的负载。然而，低功耗系统还拥有很大的动态电压消沉，特别在共振频率wo附近的时候。即使设计者使用诸如低漏电流工艺和电路设计技术这样的用来降低能量损失的设计，动态噪声的增大也是无法避免的。ANR给设计者提供了高速系统中降低噪声而不会产生额外的热量的方法。用ANR增大系统Q值，不是通过降低电阻，而是利用了随电压成平方增长的电容中的能量来给负载供电的优势。这个可以在负载端保持高电压而低能量损失的优势自从输电技术的早期就为人所熟知。现在在高速系统中可以通过ANR来发挥这个优势。

有源VLSI封装中，一个严重的限制是芯片电容储存电荷的能力遵从下面的关系：

这里使用的是单位面积的电荷和电容，E是储存电荷设备里的电场强度。

在一个MOS电容里，芯片内集成的单位面积的电容很典型。大多数的生产工艺都尽量使MOS电容的尺寸（栅绝缘层厚度）达到最小，接近于栅绝缘层可靠性的极限。因此，在MOS电容中使用更高电压来提高电位面积的储存电荷（和能量）的方案是不可行的，既然耐高压设备必然要有一个更厚的栅绝缘层，因此就要跟所求的高压大致成比例地降低单位面积的电容。

封装电容的重要性已经在一些大面积处理器制造商的生产中广泛体现出来。即使是出现一个land-side封装电容，集成的对模（on-die）电容配额似乎也无法适应元件的性能（最大频率）。Land-side封装电容紧贴在处理器封装衬底的对面的下面，这样封装衬底的厚度将这个电容和处理器电路分隔开来。这是装配中离电路最近的电容之一，它的电容值很大，无论从物理还是从电学角度，它都积累了很多的电荷。换句话说，集成的芯片电容会很大。因此，降低噪声的电容值要比设计的封装电容大得多。因此封装电阻在保持处理器电源完善性上显得更加有效。