[發明專利]一種抑制高速電路地彈噪聲的超寬帶平面電磁帶隙結構

在審

• 申請號: 201410579472.7
• 申請日: 2014-10-24
• 公開（公告）號: CN104332677A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 李曉春;張佶;毛軍發
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01P1/20
• 分類號: H01P1/20
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及電子信息技術領域，特別是指一種抑制高速電路地彈噪聲的超寬帶平面電磁帶隙結構。

背景技術

在現代電路系統中，信號傳輸的速率越來越高，并且為了低功耗的實現，供電電源的幅值要求更加低更加穩定，而且同時各種電路模塊如高速數字電路、射頻/模擬電路等都集成在一起，系統的集成密度也越來越高，互相之間的影響也日趨明顯。而作為給電路系統供電的電源分配網絡(PDN)，幾乎所有的電子元器件會直接或間接的分布在其上。PDN作為混合電路系統中最復雜、最龐大的互連結構，會占據系統將近一半的互連空間用于信號的布局和布線。

在PDN結構中，電源面與地面之間形成平面對結構，并在一定頻率范圍內產生各種諧振產生地彈噪聲(GBN)。受到同步開關噪聲(SSN)的激勵，諧振幅度會加大，從而加劇同步開關噪聲(SSN)在電源/地平面對之間的傳播。隨著集成電路技術和系統級封裝技術的發展，混合電路系統中高速數字電路的時鐘運行速率不斷加快、信號上升/下降沿時間不斷變短、供電直流電壓不斷減小，SSN噪聲問題越來越明顯。尤其是當電路的應用頻段在高達到GHz以上時，SSN噪聲會對高速電路系統中的信號完整性(SI)和電源完整性(PI)產生嚴重影響，同時還會引發電磁干擾(EMI)等問題。因此，SSN將會成為制約高速集成電路發展的主要瓶頸之一。如何設計出合適的PDN結構，既能寬阻帶、高隔離度的抑制SSN噪聲傳播，又可以保證電路系統的SI特性，成為目前系統級封裝技術的研究熱點。

目前，為解決混合電路系統中的電源完整性問題，有多種方法可用來抑制電源分配網絡中SSN的傳播。在工業界中廣泛采用的方法是在電路板中添加離散去耦電容，為信號線提供一條低阻抗返回路徑來達到抑制SSN噪聲的目的。但是集總電容在高頻時會產生寄生電感和寄生電容，再受到器件周圍焊盤與通孔的影響，容易產生諧振。因此，使用去耦電容只能在幾百MHz的頻率附近抑制SSN噪聲的傳播，無法用來抑制高頻范圍內的噪聲。另一種采用通孔對的方法，通過選擇不同過孔的位置來消除不同模式處的諧振，從而阻止SSN噪聲在電源/地平面對之間傳播，但是采用這種方法只能在一定頻率范圍內對噪聲抑制。采用電源島或者分割電源平面也是SSN噪聲的抑制方法之一，它在電源/地平面對上刻蝕出一個獨立的區域,對噪聲源模塊和噪聲敏感電路模塊進行隔離，因此也可以看成是一種基于局部拓撲結構的PDN。然而采用電源島方法的噪聲抑制頻率范圍較窄，且在高頻時的隔離深度較差。電磁帶隙(EBG)結構可以有效抑制PDN結構中電磁波的傳播。但EBG作為一種周期性結構，在多層電路封裝中，當其作為信號線的參考平面時，會破壞返回電流路徑的連續性，影響信號線的傳輸質量。因此需優化EBG結構，在抑制SSN噪聲的同時，盡可能減小對信號完整性的影響。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種抑制高速電路地彈噪聲的超寬帶平面電磁帶隙結構，改變現有的電源/地平面的電源層，從而抑制在電源/地層之間的地彈噪聲(GBN)和同步開關噪聲(SSN)，實現較好的電源完整性(PI)。

為解決上述技術問題，本發明的實施例提供一種抑制高速電路地彈噪聲的超寬帶平面電磁帶隙結構，包括由上往下依次連接的電源層、高速微波介質層和地層，所述電源層包括若干基本周期單元，所述基本周期單元由若干諧振器通過連橋連接。所述電磁帶隙結構是一種周期性分布，是一種人工電磁材料，在一定的頻率范圍內具有阻帶特性，可以用來對噪聲信號的傳播進行抑制。而電源分配網絡是在混合高速電路系統中，包含有噪聲源電路和噪聲敏感電路部分，其中噪聲源電路包括高速數字電路、高速開關電源等，噪聲敏感電路包含有射頻電路和模擬電路等，這幾部分電路分布于不同區域。所設計的電磁帶隙結構覆蓋了噪聲源電路和噪聲敏感電路所在的區域，可用來抑制相互之間的噪聲傳播。

作為優選，所述諧振器為互補開口環諧振器，所述連橋為為交叉型連橋。互補開口環諧振器(CSRR，Complimentary?Split?Ring?Resonator)和交叉型連橋組成其基本周期單元，該新結構用于抑制電源與地平面之間的同步開關噪聲和地彈噪聲?；パa開口環諧振器是一種人工電磁材料，它屬于微波異性介質，當電場軸向入射到諧振器表面時，會產生負的介電常數，形成一個陡峭的傳輸禁帶。與其他典型的EBG單元相比，采用CSRR單元可以達到相同的低頻截止頻率和噪聲抑制特性情況下，結構尺寸較小，從而減小對信號線的返回電流路徑連續性的影響。交叉型連橋可以等效為電感和對地電容的T型結構，與CSRR單元相連構成EBG結構，且調節交叉型連橋的寬度和長度可以改善EBG的性能。