CN104332677A

CN104332677A - 一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构

Info

Publication number: CN104332677A
Application number: CN201410579472.7A
Authority: CN
Inventors: 李晓春; 张佶; 毛军发
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2015-02-04

Abstract

本发明公开了一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构，包括由上往下依次连接的电源层、高速微波介质层和地层，所述电源层包括若干基本周期单元，所述基本周期单元由若干谐振器通过连桥连接。本发明的上述技术方案的有益效果如下：有效解决高速混合电路系统中由于瞬态电流变化所引起的电压波动问题，能够明显的抑制电源分配网络中产生的同步开关噪声，减小对混合电路系统中射频/模拟电路产生干扰，避免引发芯片的误动作；通过使用互补开口环谐振器来构成电磁带隙结构的基本单元，可以在达到预期的噪声抑制性能同时，有效的减小单元结构的尺寸大小；通过引入交叉型连桥，可以改变抑制深度，增大噪声抑制频带范围。

Description

一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，特别是指一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构。

背景技术

在现代电路系统中，信号传输的速率越来越高，并且为了低功耗的实现，供电电源的幅值要求更加低更加稳定，而且同时各种电路模块如高速数字电路、射频/模拟电路等都集成在一起，系统的集成密度也越来越高，互相之间的影响也日趋明显。而作为给电路系统供电的电源分配网络(PDN)，几乎所有的电子元器件会直接或间接的分布在其上。PDN作为混合电路系统中最复杂、最庞大的互连结构，会占据系统将近一半的互连空间用于信号的布局和布线。

在PDN结构中，电源面与地面之间形成平面对结构，并在一定频率范围内产生各种谐振产生地弹噪声(GBN)。受到同步开关噪声(SSN)的激励，谐振幅度会加大，从而加剧同步开关噪声(SSN)在电源/地平面对之间的传播。随着集成电路技术和系统级封装技术的发展，混合电路系统中高速数字电路的时钟运行速率不断加快、信号上升/下降沿时间不断变短、供电直流电压不断减小，SSN噪声问题越来越明显。尤其是当电路的应用频段在高达到GHz以上时，SSN噪声会对高速电路系统中的信号完整性(SI)和电源完整性(PI)产生严重影响，同时还会引发电磁干扰(EMI)等问题。因此，SSN将会成为制约高速集成电路发展的主要瓶颈之一。如何设计出合适的PDN结构，既能宽阻带、高隔离度的抑制SSN噪声传播，又可以保证电路系统的SI特性，成为目前系统级封装技术的研究热点。

目前，为解决混合电路系统中的电源完整性问题，有多种方法可用来抑制电源分配网络中SSN的传播。在工业界中广泛采用的方法是在电路板中添加离散去耦电容，为信号线提供一条低阻抗返回路径来达到抑制SSN噪声的目的。但是集总电容在高频时会产生寄生电感和寄生电容，再受到器件周围焊盘与通孔的影响，容易产生谐振。因此，使用去耦电容只能在几百MHz的频率附近抑制SSN噪声的传播，无法用来抑制高频范围内的噪声。另一种采用通孔对的方法，通过选择不同过孔的位置来消除不同模式处的谐振，从而阻止SSN噪声在电源/地平面对之间传播，但是采用这种方法只能在一定频率范围内对噪声抑制。采用电源岛或者分割电源平面也是SSN噪声的抑制方法之一，它在电源/地平面对上刻蚀出一个独立的区域,对噪声源模块和噪声敏感电路模块进行隔离，因此也可以看成是一种基于局部拓扑结构的PDN。然而采用电源岛方法的噪声抑制频率范围较窄，且在高频时的隔离深度较差。电磁带隙(EBG)结构可以有效抑制PDN结构中电磁波的传播。但EBG作为一种周期性结构，在多层电路封装中，当其作为信号线的参考平面时，会破坏返回电流路径的连续性，影响信号线的传输质量。因此需优化EBG结构，在抑制SSN噪声的同时，尽可能减小对信号完整性的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构，改变现有的电源/地平面的电源层，从而抑制在电源/地层之间的地弹噪声(GBN)和同步开关噪声(SSN)，实现较好的电源完整性(PI)。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构，包括由上往下依次连接的电源层、高速微波介质层和地层，所述电源层包括若干基本周期单元，所述基本周期单元由若干谐振器通过连桥连接。所述电磁带隙结构是一种周期性分布，是一种人工电磁材料，在一定的频率范围内具有阻带特性，可以用来对噪声信号的传播进行抑制。而电源分配网络是在混合高速电路系统中，包含有噪声源电路和噪声敏感电路部分，其中噪声源电路包括高速数字电路、高速开关电源等，噪声敏感电路包含有射频电路和模拟电路等，这几部分电路分布于不同区域。所设计的电磁带隙结构覆盖了噪声源电路和噪声敏感电路所在的区域，可用来抑制相互之间的噪声传播。

作为优选，所述谐振器为互补开口环谐振器，所述连桥为为交叉型连桥。互补开口环谐振器(CSRR，Complimentary Split Ring Resonator)和交叉型连桥组成其基本周期单元，该新结构用于抑制电源与地平面之间的同步开关噪声和地弹噪声。互补开口环谐振器是一种人工电磁材料，它属于微波异性介质，当电场轴向入射到谐振器表面时，会产生负的介电常数，形成一个陡峭的传输禁带。与其他典型的EBG单元相比，采用CSRR单元可以达到相同的低频截止频率和噪声抑制特性情况下，结构尺寸较小，从而减小对信号线的返回电流路径连续性的影响。交叉型连桥可以等效为电感和对地电容的T型结构，与CSRR单元相连构成EBG结构，且调节交叉型连桥的宽度和长度可以改善EBG的性能。

作为优选，所述地层为完整覆铜面。

作为优选，所述谐振器最内方型贴片的边长t＝24.5mm；槽线尺寸s＝0.3mm；两个谐振器外侧谐振环之间的连桥的尺寸大小w1＝0.3mm；外槽线与谐振器单元的边沿间距w2＝0.5mm；谐振器开口宽度g＝1mm；每个正方型谐振器的边长尺寸l_unit＝27.4mm。

作为优选，所述连桥是一个对称性重复型结构，每个谐振器间的连桥结构尺寸都相同，连桥横轴方向上的尺寸l_bridge＝2.6mm；连桥与谐振器连接处的纵轴方向的尺寸w_bridge＝5mm。

作为优选，所述电源层厚度为35mm；所述高速微波介质层厚度尺寸d＝0.4mm，其相对介电常数＝4.4，介质表面的损耗角正切为0.02；所述地层厚度为35mm。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：有效解决高速混合电路系统中由于瞬态电流变化所引起的电压波动问题，能够明显的抑制电源分配网络中产生的同步开关噪声，减小对混合电路系统中射频/模拟电路产生干扰，避免引发芯片的误动作；通过使用互补开口环谐振器来构成电磁带隙结构的基本单元，可以在达到预期的噪声抑制性能同时，有效的减小单元结构的尺寸大小；通过引入交叉型连桥，可以改变抑制深度，增大噪声抑制频带范围。

附图说明

图1为本发明的一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构实施例的结构示意图。

图2为图1中组成电源层的基本周期单元结构示意图。

图3为图2中构成基本周期单元的谐振器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的不足提供一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构，如图1所示，包括由上往下依次连接的电源层1、高速微波介质层2和地层3，所述电源层1包括若干基本周期单元，所述基本周期单元由若干谐振器4通过连桥5连接。所述地层3为完整覆铜面。如图2所示，所述谐振器4为互补开口环谐振器，所述连桥5为为交叉型连桥。所述连桥5是一个对称性重复型结构，每个谐振器4间的连桥5结构尺寸都相同，连桥5横轴方向上的尺寸l_bridge＝2.6mm；连桥5与谐振器4连接处的纵轴方向的尺寸w_bridge＝5mm。如图3所示，所述谐振器4最内方型贴片的边长t＝24.5mm；槽线尺寸s＝0.3mm；两个谐振器4外侧谐振环之间的连桥的尺寸大小w1＝0.3mm；外槽线与谐振器4单元的边沿间距w2＝0.5mm；谐振器4开口宽度g＝1mm；每个正方型谐振器4的边长尺寸l_unit＝27.4mm。

本发明一种实施例，高速微波介质层2厚度尺寸d＝0.4mm，其相对介电常数＝4.4，介质表面的损耗角正切为0.02；本发明正方形结构的边长l＝87.4mm。电源层2，具有EBG结构，其厚度为35mm；所述地层3保持完整的金属平面，其厚度为35mm。

本具体实施有效解决高速混合电路系统中由于瞬态电流变化所引起的电压波动问题，能够明显的抑制电源分配网络中产生的同步开关噪声，减小对混合电路系统中射频/模拟电路产生干扰，避免引发芯片的误动作；通过使用互补开口环谐振器来构成电磁带隙结构的基本单元，可以在达到预期的噪声抑制性能同时，有效的减小单元结构的尺寸大小；通过引入交叉型连桥，可以改变抑制深度，增大噪声抑制频带范围。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构，其特征在于，包括由上往下依次连接的电源层、高速微波介质层和地层，所述电源层包括若干基本周期单元，所述基本周期单元由若干谐振器通过连桥连接。

2.根据权利要求1所述的一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构，其特征在于，所述谐振器为互补开口环谐振器，所述连桥为为交叉型连桥。

3.根据权利要求2所述的一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构，其特征在于，所述地层为完整覆铜面。

4.根据权利要求2所述的一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构，其特征在于，所述谐振器最内方型贴片的边长t＝24.5mm；槽线尺寸s＝0.3mm；两个谐振器外侧谐振环之间的连桥的尺寸大小w1＝0.3mm；外槽线与谐振器单元的边沿间距w2＝0.5mm；谐振器开口宽度g＝1mm；每个正方型谐振器的边长尺寸l_unit＝27.4mm。

5.根据权利要求4所述的一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构，其特征在于，所述连桥是一个对称性重复型结构，每个谐振器间的连桥结构尺寸都相同，连桥横轴方向上的尺寸l_bridge＝2.6mm；连桥与谐振器连接处的纵轴方向的尺寸w_bridge＝5mm。

6.根据权利要求5所述的一种抑制高速电路地弹噪声的超宽带平面电磁带隙结构，其特征在于，所述电源层厚度为35mm；所述高速微波介质层厚度尺寸d＝0.4mm，其相对介电常数＝4.4，介质表面的损耗角正切为0.02；所述地层厚度为35mm。