[SI-LIST] Re: First-order modelling of parallel-plate capacitance

  • From: steve@xxxxxxxxxxxx
  • To: Martom Last <yahbalo@xxxxxxxxx>, scott@xxxxxxxxxxxxx, larry.smith@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx, si-list@xxxxxxxxxxxxx, Istvan Novak <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>
  • Date: Sun, 28 May 2017 17:17:35 +0000 (UTC)

Thanks, Istvan. I'll take a look at it, sounds interesting.



Regards,




Steven M. Sandler


Managing Director


www.picotest.com


(480) 375-0075







On Thu, May 25, 2017 at 8:58 PM -0700, "Istvan Novak" 
<istvan.novak@xxxxxxxxxxx> wrote:











  
    
  
  
    

Martin, All,
    

As a free bonus, I just posted a simplified illustration tool
      that calculates the self impedance of rectangular plane pairs with
      open or short boundaries:
http://www.electrical-integrity.com/Tool_download_files/Plane_SelfZ_v-w02.xls. 
      This is the eights item down the list on the Tools page.  

    
    

For those of you who might be interested: one month from now, at
      the University of Oxford two-day Power Distribution course, we
      will use the full version of this tool to simulate, and a
      professional instrument to measure and correlate the impedance,
      capacitance and inductance of thick and thin laminates.
    

Regards,
    

Istvan Novak
    



    
    

    On 5/22/2017 6:06 PM, Martom Last
      wrote:

    
    
      
        Scott,
        

            
        Let me reassure
              you that my intuition is not drawing me to conclusions in
              contrary to neither Istvan Novak nor Larry Smith. In fact,
              my intuition isn't really telling me anything useful here
              which is why I'm trying to figure out how I can analyze
              the problem properly. 

            
        

            
        Regards,

              Martin

            
        

          

        
        
          
            
              
                
                   From:
                  Scott McMorrow <Scott@xxxxxxxxxxxxx>

                  To:
                  "istvan.novak@xxxxxxxxxxx"
                  <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>; Martom Last
                  <yahbalo@xxxxxxxxx>;
                  "larry.smith@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"
                  <larry.smith@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx>;
                  "si-list@xxxxxxxxxxxxx" <si-list@xxxxxxxxxxxxx>;
                  "steve@xxxxxxxxxxxx" <steve@xxxxxxxxxxxx> 

                  Sent:
                  Wednesday, May 17, 2017 1:43 AM

                  Subject:
                  [SI-LIST] Re: First-order modelling of parallel-plate
                  capacitance

                 
              

                Martam

                  If your intuition seems to draw you to different
                  conclusions than Istvan Novak, or Larry Smith, I'd
                  advise you to question your intuition, and either
                  believe the experts, or do the work to confirm their
                  results.  These two will never steer you wrong, in my
                  experience.

                  

                  Scott McMorrow, CTO Signal Integrity Group

                  Samtec

                  Office 401-284-1827 | +1-800-726-8329

                  www.samtec.com

                  

                  -----Original Message-----

                  From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
                  [mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx]
                  On Behalf Of Istvan Novak

                  Sent: Tuesday, May 16, 2017 7:29 PM

                  To: Martom Last <yahbalo@xxxxxxxxx>; 
larry.smith@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx;
                  si-list@xxxxxxxxxxxxx; steve@xxxxxxxxxxxx

                  Subject: [SI-LIST] Re: First-order modelling of
                  parallel-plate capacitance

                  

                  Martom,

                  Based on a lot of measurements and simulations, my
                  conclusion is that the uniform assumption yields
                  probably the lowest inductance.

                  

                  BTW big or small are relative terms.  When it comes to
                  inductance, the 33pH/mil inductance is not big: if you
                  try to measure it, it proves to be quite challenging.

                  

                  Regards,

                  Istvan Novak

                  Oracle

                  

                  

                  On 5/16/2017 6:26 PM, Martom Last wrote:

                  > Istvan,

                  >

                  > I don't know what I expected, but the stated
                  approximate sheet 

                  > inductance value of 33pH per mil of separation
                  distance (or 1.3 pH per

                  > micrometer) is surprisingly high--at least
                  compared to zero! I note 

                  > that the derivation of this rule of thumb [1]
                  assumes uniform current 

                  > flow across the square. But, if I'm not mistaken,
                  uniform current flow 

                  > in turn implies uniform inductance (current
                  follows the path of least 

                  > impedance), making the reasoning look somewhat
                  circular to me. Maybe 

                  > I'm not thinking straight here, but I struggle a
                  bit to wrap my head 

                  > around it completely. It is also not clear to me
                  how the uniform 

                  > current flow assumption holds up as the frequency
                  goes up--my 

                  > understanding is that current flows in
                  increasingly confined paths of 

                  > low inductance loops which, to my mind, is the
                  opposite of uniform 

                  > current flow. Isn't this problematic when it is
                  precisely at high 

                  > frequencies this plane capacitance is supposed to
                  be beneficial.

                  >

                  >

                  > Larry,

                  >

                  > In my particular case, there is no on-die
                  capacitance that I know of. 

                  > My newly added plane inductance did, however,
                  stick out like a sore 

                  > thumb in my (Spice) model when seen side-by-side
                  with the discrete 

                  > capacitors. As a side-note, my usual modelling
                  strategy with the 

                  > discrete 0402 caps is to plug in the via
                  parameters into Saturn PCB 

                  > Design tool and adjust via height to match the
                  distance to the nearest 

                  > plane (ignoring the stub), and then plug this
                  inductance value into 

                  > Spice as an additional ESL to whatever is in the
                  capacitor model from 

                  > the vendor. I get ESL values near what you
                  mention (500pH) so I hope 

                  > the method I use is not too bad.

                  >

                  > Apart from that, I'm still trying to come to
                  terms with your post 

                  > which was clearly a bit too much to process for
                  my 

                  > sleep-deprived-father-of-a-two-year-old mind.
                  Having ready your post 

                  > multiple times, I'm still reading it as an
                  advocate for loosely 

                  > coupled PWR-GND planes, and that we'd be better
                  off without plane 

                  > capacitance altogether because a) discrete caps
                  offer a lower total 

                  > ESL which is trumped (sorry) by the plane
                  inductance, and b) the 

                  > too-low-to-be-of-any-use plane capacitance is
                  still large enough to 

                  > form a resonating tank at frequencies where we
                  don't want them.

                  >

                  > In the paper Istvan linked to, there was a
                  section about the impact of 

                  > increased plane size on resonance suppression.
                  How does that play with 

                  > what you are saying here?

                  >

                  > Steven,

                  >

                  > I'll come back to your comment about the
                  shortcomings of Spice at a 

                  > later time. I want to sort out the fundamentals
                  first.

                  >

                  > [1]

                  > 
http://www.edn.com/electronics-blogs/all-aboard-/4434907/Sheet-inducta

                  > nce-of-a-cavity--Rule-of-Thumb--16

                  >

                  > Regards,

                  > Martin

                  >

                  >

                  > On Tuesday, May 16, 2017 8:19 PM, Larry Smith 

                  > <larry.smith@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx>
                  wrote:

                  >

                  >

                  > Martin â€“ Istvan has given you a good rule of
                  thumb for the sheet 

                  > inductance of PCB power planes.  It is 33 pH per
                  square for 1 mil 

                  > thick dielectric, double that for 2 mil
                  dielectric.  Inductance is the 

                  > most important PDN property for the board power
                  planes.  As you 

                  > mention, we might get 400 pF per square inch
                  power plane capacitance.

                  > But in most cases, the board power plane
                  capacitance pales in 

                  > comparison to on-die capacitance which is likely
                  to be 10’s or even 

                  > 100’s of nF.  With the on-die capacitance being
                  much more than the 

                  > board power plane capacitance, you can see why
                  the most important 

                  > property of the of the power planes is
                  inductance.

                  > The main function of the board power planes (at
                  least for power 

                  > integrity concerns) is to bring current (charge)
                  stored in board 

                  > capacitors to the die load. Well mounted board
                  capacitors may have 500 

                  > pH of inductance.  If we put 10 caps in parallel,
                  the effective 

                  > mounted inductance is 50 pH.  Note that this is
                  less than the expected

                  > 66 pH per square of 2 mil dielectric power
                  planes.  If we use just one 

                  > square of PCB power plane to hook up 10 caps, the
                  dominant inductance 

                  > is in the power planes.  Additional caps only
                  provide marginal PDN 

                  > improvement when the dominant inductance is in
                  the plane.

                  >

                  > One additional relevant comment is that the board
                  power plane 

                  > capacitance forms a parallel resonant peak with
                  inductance of all the 

                  > mounted board caps.  This is an LC resonance that
                  is almost always 

                  > lower frequency than any board cavity resonances
                  that are associated 

                  > with the dimensions of the power planes. For
                  power integrity purposes, 

                  > this is the resonant peak to watch out for.  It
                  is best to minimize 

                  > the power plane area, which minimizes the board
                  capacitance and moves 

                  > this LC resonant peak up to a higher frequency. 
                  We want the board LC 

                  > resonance to be at a higher frequency than the
                  resonant peak between 

                  > the on-die capacitance and inductance to board
                  caps.

                  >

                  > In other words, the capacitance from the board
                  power planes is more of 

                  > a problem for us than it is a benefit.

                  >

                  >

                  > regards,

                  >

                  > Larry Smith

                  >

                  >

                  > ________________________________

                  > From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx

                  > <mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx>
                  <si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
                  

                  > <mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx>>
                  on behalf of Istvan Novak 

                  > <istvan.novak@xxxxxxxxxxx
                  <mailto:istvan.novak@xxxxxxxxxxx>>

                  > Sent: Sunday, May 14, 2017 3:43 PM

                  > To: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx
                  <mailto:dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx>;

                  > si-list@xxxxxxxxxxxxx
                  <mailto:si-list@xxxxxxxxxxxxx>

                  > Subject: [SI-LIST] Re: First-order modelling of
                  parallel-plate 

                  > capacitance

                  >

                  > Hi Martin,

                  >

                  > In short, if we ignore the modal resonances for a
                  second, you have 

                  > static plane capacitance and the
                  separation-related inductance, which 

                  > forms a V-shape impedance profile, similar to
                  that of capacitors.  The 

                  > inductance of the planes is frequency, shape and
                  location dependent, 

                  > but for a quick guide you can use the approximate
                  sheet inductance, 

                  > which is 33pH for each miliinch of separation. 
                  At high frequencies 

                  > (which is a relative term) you are likely beyond
                  the first series 

                  > resonance of the planes, so the impedance is
                  dominated by the 

                  > inductive reactance, which in turn is dependent
                  only on the plane 

                  > separation and independent of the static
                  capacitance.

                  >

                  > You can find a lot of free material posted on the
                  web on this subject, 

                  > see for instance

                  >

                  > 
http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_files/DC08_Modal_Su

                  > ppress_SUN.pdf

                  >

                  > Regards,

                  >

                  > Istvan Novak

                  >

                  > Oracle

                  >

                  >

                  > On 5/14/2017 2:24 PM, Martom Last (Redacted
                  sender yahbalo for DMARC)

                  > wrote:

                  > > Hi

                  > > I'm trying to understand why, for a given
                  laminate, a parallel plate

                  > capacitor with area A and plate separation
                  distance d is a better 

                  > high-frequency charge reservoir than a parallel
                  plate capacitor with 

                  > area 2A and separation distance 2d.

                  > > On page 10 in [1], Lee Ritchey states that

                  > >

                  > > "Planes in parallel naturally form a
                  capacitor. As the planes are

                  > placed closer together two things happen. 
                  First, the capacitance 

                  > between them increases and, second, their
                  inductance decreases. When 

                  > the planes are separated by 2-3 mils (51-76
                  microns) the capacitance 

                  > approaches 400 pF per square inch (6.5 pF square
                  cm) and the 

                  > inductance becomes very low compared to that of
                  discrete capacitors (a 

                  > few picoHenries). It is this very low inductance
                  that makes this 

                  > capacitor function well into the hundreds of
                  megahertz."

                  > > My guess here is that since a tightly
                  coupled plane pair holds more

                  > charge per area than a loosely coupled plane
                  pair, the current loop 

                  > related to charge transfer to and from the plane
                  pair, and hence the 

                  > inductance, is less in the tightly coupled case
                  where more local 

                  > charge is available. Is this understanding
                  correct?

                  > >

                  > > What is the mathematical relationship
                  between the inter-plane

                  > separation distance and the series inductance of
                  the resulting 

                  > capacitance?

                  > >

                  > > Also, when I model my PDN in Spice I usually
                  add an ideal "plane" 

                  > capacitor, the value of which I base on a simple
                  ideal parallel plate 

                  > capacitor with area equal to the board/plane
                  area. However, this 

                  > approach does not seem to take into account the
                  finite propagation 

                  > velocity in a typical FR4 type laminate, and I'm
                  now thinking that 

                  > this ideal capacitor representation of my plane
                  capacitance (as seen 

                  > by a fast switching IC) should be reduced to only
                  include the parallel 

                  > plate disk with radius r=v*t, where v is the
                  propagation velocity and 

                  > t is the time it takes to move charge. Charge
                  outside this disk would 

                  > take longer than the rise time of the signal and
                  be invisible. Does 

                  > this make sense?

                  > > [1] Designing a Power Delivery Subsystem
                  (2011, Lee Ritchey)

                  > >

                  > > Regards,

                  > > Martin

                  > >
                  
------------------------------------------------------------------

                  > > To unsubscribe from si-list:

                  > > si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
                  <mailto:si-list-request@xxxxxxxxxxxxx>

                  > with 'unsubscribe' in the Subject field

                  > >

                  > > or to administer your membership from a web
                  page, go to:

                  > > //www.freelists.org/webpage/si-list

                  > >

                  > > For help:

                  > > si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
                  <mailto:si-list-request@xxxxxxxxxxxxx>

                  > with 'help' in the Subject field

                  > >

                  > >

                  > > List forum  is accessible at:

                  > > http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

                  > >

                  > > List archives are viewable at:

                  > > //www.freelists.org/archives/si-list

                  > Archive for si-list - 

                  > FreeLists<//www.freelists.org/archives/si-list>

                  > www.freelists.org

                  > Archive for si-list. Home; si-list; Archive;
                  Browse by month

                  >

                  >

                  >

                  > >

                  > > Old (prior to June 6, 2001) list archives
                  are viewable at:

                  > > http://www.qsl.net/wb6tpu

                  > The WB6TPU RF and High-Speed Interconnect 

                  > Site<http://www.qsl.net/wb6tpu>
                  www.qsl.net Contains past message 

                  > traffic from si-list. si-list is a Signal
                  Integrity mailing list 

                  > dedicated to the technical discussion of
                  high-speed digital and RF 

                  > phenomena as ...

                  >

                  >

                  >

                  > >

                  > >

                  > >

                  >

                  >
                  
------------------------------------------------------------------

                  > To unsubscribe from si-list:

                  > si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
                  <mailto:si-list-request@xxxxxxxxxxxxx>

                  > with 'unsubscribe' in the Subject field

                  >

                  > or to administer your membership from a web page,
                  go to:

                  > //www.freelists.org/webpage/si-list

                  >

                  > For help:

                  > si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
                  <mailto:si-list-request@xxxxxxxxxxxxx>

                  > with 'help' in the Subject field

                  >

                  >

                  > List forum  is accessible at:

                  > http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

                  > 
[https://s1.yimg.com/dh/ap/default/130909/y_200_a.png]<http://tech.gro

                  > ups.yahoo.com/group/si-list>

                  >

                  > Yahoo! Groups<http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list>
                  

                    > tech.groups.yahoo.com

                    > /

                    >

                    >

                    >

                    >

                    > List archives are viewable at:

                    > //www.freelists.org/archives/si-list

                    > Archive for si-list - 

                    > FreeLists<//www.freelists.org/archives/si-list>

                    > www.freelists.org

                    > Archive for si-list. Home; si-list; Archive;
                    Browse by month

                    >

                    >

                    >

                    >

                    > Old (prior to June 6, 2001) list archives are
                    viewable at:

                    > http://www.qsl.net/wb6tpu

                    > The WB6TPU RF and High-Speed Interconnect 

                    > Site<http://www.qsl.net/wb6tpu>
                    www.qsl.net Contains past message 

                    > traffic from si-list. si-list is a Signal
                    Integrity mailing list 

                    > dedicated to the technical discussion of
                    high-speed digital and RF 

                    > phenomena as ...

                    >

                    >

                    >

                    >

                    >

                    >

                    >

                    >
                    
------------------------------------------------------------------

                    > To unsubscribe from si-list:

                    > si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
                    <mailto:si-list-request@xxxxxxxxxxxxx>

                    > with 'unsubscribe' in the Subject field

                    >

                    > or to administer your membership from a web
                    page, go to:

                    > //www.freelists.org/webpage/si-list

                    >

                    > For help:

                    > si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
                    <mailto:si-list-request@xxxxxxxxxxxxx>

                    > with 'help' in the Subject field

                    >

                    >

                    > List forum  is accessible at:

                    > http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

                    >

                    > List archives are viewable at:

                    > //www.freelists.org/archives/si-list

                    >

                    > Old (prior to June 6, 2001) list archives are
                    viewable at:

                    > http://www.qsl.net/wb6tpu

                    >

                    >

                    >

                    >

                    

                    

                    

------------------------------------------------------------------

                    To unsubscribe from si-list:

                    si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
                    with 'unsubscribe' in the Subject field

                    

                    or to administer your membership from a web page, go
                    to:

                    //www.freelists.org/webpage/si-list

                    

                    For help:

                    si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
                    with 'help' in the Subject field

                    

                    

                    List forum  is accessible at:

                    Â  Â  Â  Â  Â  Â  Â  
http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

                    

                    List archives are viewable at:  Â  

                    Â Â Â  Â Â Â  //www.freelists.org/archives/si-list

                    

                    Old (prior to June 6, 2001) list archives are
                    viewable at:

                    Â Â Â  Â Â Â  http://www.qsl.net/wb6tpu

                    Â  

                    

------------------------------------------------------------------

                    To unsubscribe from si-list:

                    si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
                    with 'unsubscribe' in the Subject field

                    

                    or to administer your membership from a web page, go
                    to:

                    //www.freelists.org/webpage/si-list

                    

                    For help:

                    si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
                    with 'help' in the Subject field

                    

                    

                    List forum  is accessible at:

                    Â  Â  Â  Â  Â  Â  Â  
http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

                    

                    List archives are viewable at:  Â  

                    Â Â Â  Â Â Â  //www.freelists.org/archives/si-list

                    

                    Old (prior to June 6, 2001) list archives are
                    viewable at:

                    Â Â Â  Â Â Â  http://www.qsl.net/wb6tpu

                    Â  

                    

                  
                
                

                

              
            
          
        
      
    
    

  







------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

Other related posts: