CN102281708A - 基于交指电容电磁带隙结构的电路板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交指电容电磁带隙结构的电路板，主要解决现有基于电磁带隙结构的电路板抑制同时开关噪声阻带带宽低，抑制低频噪声能力低，信号完整性差的缺点。该电路板包括电源层(1)、高阻抗层(3)、地层(4)以及介质(5)。其中，高阻抗层(3)由不少于4个高阻抗单元(301)组成，每个高阻抗单元(301)与电源层(1)之间设有不少于2个矩形金属层(2)，该矩形金属层从左向右排列，序号为奇数的矩形金属层与每个高阻抗单元(301)垂直连接，序号为偶数的矩形金属层与电源层(1)垂直连接以构成交指电容结构。本发明不仅增大了抑制噪声的能力，而且增强了信号的完整性，可用于高速混合信号系统电路板和芯片互连封装设计中。

Description

基于交指电容电磁带隙结构的电路板

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，特别是一种基于交指电容宽阻带电磁带隙结构的电路板，可用于高速混合信号系统电路板和芯片互连封装设计中。

背景技术

在高速混合信号系统中，高速数字电路工作时大量门电路的同时开关会产生同时开关噪声，又称地弹噪声或Delta-I噪声。这种噪声会引起电源电压波动，并导致数字系统产生严重的信号完整性、电源完整性和电磁干扰等问题。所以伴随着数字系统向着高时钟频率，高速数据传输速率和低供电电压趋势发展，研究如何抑制同时开关噪声的工作对于多层印刷电路板和芯片互连封装的设计具有重要意义。

针对同时开关噪声的问题，早期使用去耦电容、嵌入式电容、分割电源层和电源岛的方法来抑制该噪声。但是这些方法存在抑制噪声频率低、阻带带宽有限、制作费用高和信号完整性严重下降等诸多缺陷，近来使用电磁带隙结构的电路板可使抑制同时开关噪声的频率范围达到GHz以上，制作成本低并且保持良好的电源完整性。但是多层印刷电路板和芯片互连封装中的同时开关噪声分布在一个从直流到6GHz的宽频率范围，现有的使用传统电磁带隙结构的电路板已不能满足要求。

目前，国内外针对宽阻带抑制同时开关噪声提出四种电磁带隙结构的电路板。第一种是使用阻带不同的电磁带隙结构单元进行级联，这种电路板能有效增加阻带带宽，但在两种单元的阻带交界处抑制噪声能力较弱；第二种是使用高介电常数薄膜介质电磁带隙结构，该电路板可以降低阻带的下截止频率和增加阻带带宽，但需要特殊工艺且增加制作费用；第三种是使用多过孔电磁带隙结构，但该电路板的阻带频率位于GHz以上，低频范围内不能抑制噪声；第四种是使用共面型电磁带隙结构，这种电路板加工简单，但该电路板对电源层的分割会使电源平面不连续并产生严重的信号完整性问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种基于交指电容宽阻带电磁带隙结构的电路板，以大幅度增加抑制噪声的阻带带宽和抑制低频噪声的能力，获得良好的信号完整性。

为实现上述目的，本发明包括：

电源层，用于为整个电路板提供电源电压；

高阻抗层，是由M个高阻抗单元以间距不大于2mm水平排放构成，M取值不小于4，每个高阻抗单元通过一个金属过孔从该高阻抗单元的中心垂直连接到地层，用于构成一个阻带滤波器，对噪声进行滤除和抑制；

地层，用于为高阻抗层提供地电位；

介质，用于电源层、高阻抗层和地层之间的相互隔离；

其特征在于：所述的每个高阻抗单元与电源层之间设有N个矩形金属层，N取值不小于2，该N个矩形金属层从左向右排列，序号为奇数的矩形金属层与每个高阻抗单元垂直连接，序号为偶数的矩形金属层与电源层垂直连接，构成交指电容结构，以增大电源层和高阻抗层之间的等效电容，降低高阻抗层的等效电感。

所述的M个高阻抗单元结构相同，每个高阻抗单元的宽度w不大于50mm，每个高阻抗单元与电源层的距离h不大于10mm。

所述的N个矩形金属层结构相同，其相邻两金属层之间的水平间距d不大于1mm，每个矩形金属层的宽度不大于每个高阻抗单元的宽度w，长度小于每个高阻抗单元与电源层的距离h。

所述的金属过孔的半径不大于1mm，高度不大于10mm。

所述的电源层、N个矩形金属层、高阻抗层和地层的厚度均不超过1mm，使用的材料均为铜。

所述的介质使用材料为FR4，相对介电常数为4.4。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明由于通过N个矩形金属层连接每个高阻抗单元与电源层构成交指电容结构，实现了阻带下截止频率的降低，增加抑制低频噪声的能力，同时提高了阻带上截止频率，增大了电路板抑制同时开关噪声的阻带带宽。

2、本发明中由于使用没有开槽的完整电源层和地层，保持了电源和地平面的电流返回路径的完整性，从而使电路板获得良好的信号完整性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的单元结构示意图；

图3为本发明的等效电路图；

图4为本发明的仿真图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明包括：电源层1、高阻抗层3、地层4和介质5，其中，电源层1的材料为铜但不限于铜，其厚度不超过1mm，该电源层1为整个电路板提供电源电压；高阻抗层3的材料为铜但不限于铜，其厚度不超过1mm，该高阻抗层3主要由M个高阻抗单元301以间距不大于2mm水平排放构成，此处M为16但不限于16，该M个高阻抗单元的结构相同，每个高阻抗单元的宽度w均不大于50mm，每个高阻抗单元与电源层1的距离h均不大于10mm，并通过一个金属过孔302从该高阻抗单元的中心垂直连接到地层4，用于构成一个阻带滤波器，对电源层1和地层4上的噪声进行抑制和滤除；地层4的材料为铜但不限于铜，其厚度不超过1mm，该地层4为高阻抗层3提供地电位；介质5使用材料为FR4但不限于FR4，用于填充电源层1、高阻抗层3和地层4之间的空间，对电源层1、高阻抗层3和地层4进行隔离；

参照图2，高阻抗单元301与电源层1之间设有N个矩形金属层2，此处N取值为10但不限于10，该N个矩形金属层2的结构相同，其相邻两金属层的水平间距不大于1mm，每个金属层的宽度不大于每个高阻抗单元301的宽度w，长度小于该高阻抗单元301与电源层1的距离h。该N个矩形金属层2从左向右排列，序号为奇数的矩形金属层与每个高阻抗单元垂直连接，序号为偶数的矩形金属层与电源层1垂直连接，构成交指电容结构，以增大电源层1和高阻抗层3之间的等效电容，降低高阻抗层3的等效电感，进而降低阻带下截止频率，提高阻带上截止频率，从而增大了电路板抑制同时开关噪声的阻带带宽。

本发明增大抑制同时开关噪声阻带带宽的原理可根据图3的所示的等效电路描述如下：

根据所述电路板，可将电源层1与每个高阻抗单元301之间等效为电感L₁、电容C₁和C₂，将电源层1与地层4之间等效为电容C₄，将电源层1等效为电感L₃；将N个矩形金属层2相邻两矩形金属层之间等效为电感L₆和电容C₅，此处N为4但不限于4，该4个矩形金属层中从左向右排序，将序号为奇数的矩形金属层等效为电感L₄，序号为偶数的矩形金属层等效为电感L₅；将每个高阻抗单元301与地层4之间等效为电容C₃，将每个高阻抗单元301等效为电感L₂，将连接每个高阻抗单元301到地层4的金属过孔302等效为电感L₇。

根据所述的等效电路，将基于电磁带隙结构的电路板抑制同时开关噪声的阻带下截止频率f_L和上截止频率f_H分别用如下两个公式表示：

$f_L=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{2}{2C_1(L_1+L_3+2L_7)}}---\left(1\right)$

$f_H=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{2\left\{\right[(L_2/L_7)+4]-\sqrt{{(L_2/L_7)}^2+16}\}}{C_3{L}_2}}---\left(2\right)$

相对于传统电磁带隙结构的电路板，本发明使用N个矩形金属层2连接每个高阻抗单元301与电源层1构成交指电容结构，以显著增大电源层1与每个高阻抗单元301之间的等效电容C₁，根据公式(1)可知，阻带下截止频率f_L将下移，同时每个高阻抗单元301的等效电感L₂，与序号为偶数的矩形金属层的等效电感L₅并联，可以有效降低每个高阻抗单元301的等效电感L₂，根据公式(2)可知，阻带上截止频率f_H将上移。

本发明的效果可通过仿真实验进一步说明：

对本发明的电路板和基于传统电磁带隙结构的电路板进行两端口插入损耗仿真实验，在两块电路板的电源层均添加两个特性阻抗为50欧姆的同轴端口，通过专用三维电磁仿真软件对上述两种电路板进行两端口插入损耗仿真，仿真结果如图4。其中曲线A为本发明的电路板两端口插入损耗仿真曲线，曲线B为基于传统电磁带隙结构的电路板两端口插入损耗仿真曲线，在-30dB时，本发明电路板抑制噪声的阻带低截止频率为300MHz，阻带上截止频率为7.4GHz，阻带带宽为7.1GHz；基于传统电磁带隙结构的电路板阻带低截止频率为900MHz，阻带上截止频率为7GHz，阻带带宽为6.1GHz。根据仿真曲线可以得到，本发明实现了阻带下截止频率的降低，增加抑制低频噪声的能力，同时提高了阻带上截止频率，增大了电路板抑制同时开关噪声的阻带带宽。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于交指电容电磁带隙结构的电路板，包括：

电源层(1)，用于整个电路板提供电源电压；

高阻抗层(3)，是由M个高阻抗单元(301)以间距不大于2mm水平排放构成，M取值不小于4，每个高阻抗单元通过一个金属过孔(302)从该高阻抗单元的中心垂直连接到地层(4)，用于构成一个阻带滤波器，对噪声进行滤除和抑制；

地层(4)，用于高阻抗层(3)提供地电位；

介质(5)，用于电源层(1)、高阻抗层(3)和地层(4)之间的相互隔离；

其特征在于：所述的每个高阻抗单元(301)与电源层(1)之间设有N个矩形金属层(2)，N取值不小于2，该N个矩形金属层(2)从左向右排列，序号为奇数的矩形金属层与每个高阻抗单元垂直连接，序号为偶数的矩形金属层与电源层(1)垂直连接，构成交指电容结构，以增大电源层(1)和高阻抗层(3)之间的等效电容，降低高阻抗层(3)的等效电感。

2.根据权利要求1所述的基于交指电容电磁带隙结构的电路板，其特征在于：所述的M个高阻抗单元(301)结构相同，每个高阻抗单元的宽度w不大于50mm，每个高阻抗单元与电源层(1)的距离h不大于10mm。

3.根据权利要求1所述的基于交指电容电磁带隙结构的电路板，其特征在于：所述的N个矩形金属层(2)结构相同，其相邻两金属层之间的水平间距d不大于1mm，每个矩形金属层的宽度不大于每个高阻抗单元的宽度w，长度小于每个高阻抗单元与电源层的距离h。

4.根据权利要求1所述的基于交指电容电磁带隙结构的电路板，其特征在于：所述的金属过孔(302)的半径不大于1mm，高度不大于10mm。

5.根据权利要求1所述的基于交指电容电磁带隙结构的电路板，其特征在于：所述的电源层(1)、N个矩形金属层(2)、高阻抗层(3)和地层(4)的厚度均不超过1mm，使用的材料均为铜。

6.根据权利要求1所述的基于交指电容电磁带隙结构的电路板，其特征在于：所述的介质(5)使用材料为FR4，相对介电常数为4.4。

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