[發明專利]一種解決高速電路噪聲的緊致型電磁帶隙結構的構建方法

有效

• 申請號: 201010286075.2
• 申請日: 2010-09-17
• 公開（公告）號: CN101983006A
• 公開（公告）日: 2011-03-02
• 發明（設計）人: 閻照文;王濤;姜英杰;韓雅靜;車明明;王剛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H05K9/00
• 分類號: H05K9/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術領域

本發明涉及一種解決高速電路噪聲的緊致型電磁帶隙結構的構建方法，本方法基于一種新型緊致型電磁帶隙結構，該緊致型電磁帶隙結構可以抑制高速電路電源分配系統的高頻及超高頻電源噪聲。本發明屬于高速電路領域。

(二)背景技術

隨著電子產品向小型化和高集成度發展，電子產品的電源分配系統的結構也發生變化以支持系統越來越高的速度。最開始的電源分配系統是離散的電源饋線，之后發展到離散的電源地走線，繼而到電源地填充和分割，最后發展為當今的多層高速電路的平面電源總線結構。高速電路電源分配系統的用途是提供晶體管執行芯片邏輯功能所需的電壓與電流。平面電源分配系統的組成非常復雜，互連結構異常龐大。特別是最近10年來，芯片內集成的晶體管門數增加、器件所消耗的功率和電流增大以及器件的供電電壓降低，使得電源分配系統成為高速電路設計的瓶頸之一。當代高速電源分配系統設計除了要保證基本電源配送功能外，還要考慮到信號完整性和電磁輻射等性能指標。

在印刷電路板上，電源分配系統由電源模塊、電源地平面、各種電容組成。它們分別在不同的頻率范圍內做出響應。電源模塊響應的頻率范圍大約是從直流到1kHz，大的電解電容提供電流并在1kHz到1MHz的范圍內保持較低阻抗，高頻陶瓷電容在1MHz到幾百MHz的頻率范圍內保持較低阻抗，PCB板上的電源地平面對則在100MHz以上發揮重要作用。

電源地平面結構是當代平面電源分配系統功率傳輸性能最優良的部分，其有效頻率非常高。印刷電路板和封裝中都可以包含電源地平面對。電源地平面的主要問題就是它表現為電磁諧振腔，當高速信號切換參考平面時，整個電源地平面對構成了返回路徑，高速切換的返回電流將注入到電源地平面對中，由于電源地平面構成的平面諧振腔具有固有的諧振頻率。當信號的頻率分量落在平面對的諧振平面上時，平面對的諧振模式就會被激勵。在平面的諧振頻率上，自阻抗和互阻抗的幅度可以達到很高值，這樣就會導致信號完整性問題。另外在某種意義上，電源地平面對相當于于一個微波貼面天線，會成為印刷電路板和封裝的主要噪聲源。

同時，電源分配系統在不同的頻率上，阻抗特性不同，這樣在瞬間電流通過的時候就會產生一定的電壓降和電壓擺動，造成供電不連續，產生電源噪聲。主要表現在電源噪聲會降低射頻/模擬電路的噪聲容限，使芯片不能正常工作，增加數字電路的誤動作，但是只有引入電源地平面，高速電路的互聯速度才能提高。并能提供性能優異的電荷傳輸和交換平臺。

從系統集成方面看，電子產品不可避免的包含數字和模擬、射頻模塊，電源系統的地面彈射噪聲和同步開關噪聲就成為產品設計的一個主要瓶頸。對于高速數字電路來說：電源噪聲分為四個部分：(1)超高頻率噪聲，10GHz到100GHz(2)高頻噪聲，100MHz到1000MH(3)中頻噪聲，1MHz到10MHz，(4)低頻噪聲，1kHz到100kHz。傳統的使用去耦電容抑制噪聲的方法在低頻到中頻范圍內很有效，但是在高頻頻段由于電容的高頻自諧振特性會失效。

為了解決這個問題，電磁帶隙結構被引入高速電路領域，電磁帶隙結構能夠有效解決高頻(0.4GHz以上)的電源完整性問題。在電磁帶隙結構的阻帶內，表現出一種奇特的電磁特性，它為兩平面間的高頻電源提供了低阻抗通路，兩參考平面交流短路，這就使得電源地平面產生的噪聲迅速通過本地阻抗通路形成回路，不能向外傳播，從而有效抑制集成電源系統中的地彈噪聲和同步開關噪聲，保證信號完整性和避免模塊間的電磁干擾。

電磁帶隙材料的概念來自光子晶體概念的推廣，光子晶體是一種非常典型的光子帶隙材料，利用光子晶體的禁帶機制，可以對光進行更加自如的控制。隨后，發現光子晶體的奇異特性可以推廣到電磁頻譜。電磁帶隙材料的概念開始變得重要起來。電磁帶隙材料能夠調制具有相應波長的電磁波，當電磁波在電磁帶隙材料中傳播時，受到材料諧振特性的影響，形成能帶結構。能帶與能帶之間形成帶隙，即電磁帶隙，波長處在電磁帶隙內的電磁波不能在該材料中傳播。國外的學者提出了蘑菇狀的電磁帶隙結構，這種結構增加了一層金屬層，并且電磁帶隙表面的連接孔占用了大量的板面積，限制了布線空間和自由度。也有學者提出了共面型的電磁帶隙結構，這種結構不同于以往的結構，它不存在導電過孔，加工工藝簡單。而且我們還可以實現目標阻抗的降低，彌補去耦電容高頻自諧振的漏洞。