史凌峰 王海鵬

(西安電子科技大學(xué)超高速電路設(shè)計與電磁兼容教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

(西安電子科技大學(xué)電路CAD所 西安 710071)

1 引言

同步開關(guān)噪聲(Simultaneous Switching Noise,SSN)，又稱地彈噪聲或者是ΔI噪聲，是由高速數(shù)字電路系統(tǒng)工作時門電路的快速同時開關(guān)產(chǎn)生。如果SSN在設(shè)計過程中不能被及時發(fā)現(xiàn)和抑制，將會導(dǎo)致數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的信號完整性(Signal Integrity, SI)，電源完整性(Power Integrity, PI)以及電磁干擾(Electro-Magnetic Interference, EMI)等問題[1]。所以伴隨著數(shù)字系統(tǒng)向高時鐘頻率，高速數(shù)據(jù)傳輸速率和低供電電壓趨勢發(fā)展，研究如何有效抑制 SSN的工作對于多層印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)的設(shè)計具有重要意義。

早期的研究工作中提出許多抑制SSN的方法，主要包括使用去耦電容[2]，嵌入式電容器[3]，電源層分割和電源島的方法[4]以及采用差分信令[5]，但是這些方法存在不足：去耦電容由于其存在的等效串聯(lián)電感只能應(yīng)用在600 MHz以下低頻范圍；嵌入式電容存在制作費(fèi)用和有限阻帶帶寬的限制；使用分割電源層和電源島的缺點(diǎn)是破壞了電源平面電流返回路徑的連續(xù)性，當(dāng)傳輸線經(jīng)過分割層時會使SI嚴(yán)重下降；利用差分信令技術(shù)可以提高信號的傳輸質(zhì)量，但需要增大 PCB的面積和布線密度，增加制作成本，只適合個別數(shù)據(jù)率要求特別高的信號布線使用。

目前，文獻(xiàn)[6]提出使用蘑菇型(mushroom-like)電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)結(jié)構(gòu)對高速電路兩層平行板電源分布網(wǎng)絡(luò)中的SSN進(jìn)行抑制。該EBG結(jié)構(gòu)在阻帶內(nèi)有很好的SSN抑制能力，但阻帶帶寬較窄。因?yàn)槎鄬覲CB中SSN分布在一個從直流到 6 GHz的寬頻率范圍，且信號在EBG結(jié)構(gòu)阻帶內(nèi)傳輸特性最好[7]，所以增加阻帶帶寬和降低阻帶的中心頻率成為研究的重點(diǎn)。葉狀(leafy)結(jié)構(gòu)[8]和回旋 L-bridge結(jié)構(gòu)[9]等共面型 EBG結(jié)構(gòu)可以在比較寬的頻率范圍內(nèi)抑制SSN，但是單元面積較大。利用阻帶不同的共面型單元分別部分陣列刻蝕在電源層和地層[10]或?qū)⒐裁嫘?EBG 與高阻抗平面(High Impedance Surface, HIS)垂直級聯(lián)[11]可增加阻帶帶寬。增加每個EBG單元的過孔數(shù)量可擴(kuò)展阻帶帶寬[12]，但是其阻帶頻率位于GHz以上，低頻范圍內(nèi)不能起到抑制噪聲的作用。HIS添加螺旋平面可降低阻帶中心頻率[13]，但阻帶不連續(xù)。

本文通過對蘑菇型 EBG 結(jié)構(gòu)的等效電路進(jìn)行分析，提出一種擴(kuò)展EBG結(jié)構(gòu)阻帶寬度的方法：插入交指電容(Inter-Digital Capacitor, IDC)法，即把蘑菇型EBG單元的電源層和HIS層之間的平行板電容用T型交指電容代替。使用這種電容可以顯著降低下截止頻率，提高上截止頻率，增大阻帶帶寬。這種方法具有連續(xù)寬阻帶、單元面積小等優(yōu)點(diǎn)。

2 蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)和等效電路

圖1是蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)的典型設(shè)計結(jié)構(gòu)，由電源層、地層和HIS組成。HIS單元是由一個金屬片和連接金屬片到地層的過孔組成。圖2表示蘑菇型EBG單元的等效電路[14]，其中L1,C1和C2組成的π型電路表示電源層與HIS層之間的平行板結(jié)構(gòu)的電感和電容，L2表示 HIS層的電感。L3和C4表示電源層與地層之間平行板結(jié)構(gòu)的電感及電容，Lv和C3組成的并聯(lián)電路表示連接HIS和地層的過孔和兩層之間的電容。文獻(xiàn)[14]給出了蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)的下截止頻率fL和上截止頻率fH的近似解析式：

圖1 蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)的典型設(shè)計

圖2 典型蘑菇型EBG單元的等效電路

3 插入交指電容展寬阻帶寬度

從式(1)和式(2)可知，增大等效電容C1可以有效地降低EBG結(jié)構(gòu)阻帶的下截止頻率，減小等效電感L2可提高阻帶的上截止頻率，進(jìn)而展寬阻帶帶寬。因此為滿足實(shí)際應(yīng)用中需要低頻、寬阻帶抑制SSN的需求，本文通過對蘑菇型 EBG的電源層和 HIS間插入交指電容來提高蘑菇型EBG的阻帶性能。

使用插入交指電容方法設(shè)計一種新型的蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)，這里將其命名為 T型交指電容 EBG(TIDC-EBG)結(jié)構(gòu)。該 EBG 單元的立體結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，圖3(b)是該EBG單元的側(cè)視圖。從圖中可以看到，交指電容是由 2N個等間距垂直相同的矩形金屬層相互嵌套構(gòu)成的電容并聯(lián)組成，其中P1到PN是N個垂直連接到PCB電源層的金屬層，G1到GN是N個垂直連接到HIS的金屬層，相鄰的兩金屬層作為每個電容的兩個極板，相鄰金屬層之間縫隙填充的介質(zhì)作為電容介質(zhì)。通過增加交指的金屬層數(shù)，可以顯著增大并聯(lián)連接的電容量。在實(shí)際PCB加工中，每個金屬層可以近似用相互連接的盲孔并排放置構(gòu)成，盲孔的孔徑等于金屬片的厚度，盲孔的深度等于金屬片的長度。其中盲孔采用激光鉆孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

本文以IDC取N=1時EBG結(jié)構(gòu)的阻帶寬度進(jìn)行分析。圖 3(c)中虛線框內(nèi)電路表示N=1時 IDC的等效電路，其中CIDC表示IDC兩層之間的電容，LP和LG表示IDC中分別連接電源層和HIS的PN和GN層(如圖3(b)所示)的電感，L表示兩層之間的耦合互感。相對于典型的蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)，使用交指電容的 TIDC-EBG結(jié)構(gòu)顯著增大電源層與 HIS之間的等效電容C1，且由于 IDC結(jié)構(gòu)使電源層與HIS厚度增大進(jìn)而使L3增大，根據(jù)式(1)可知fL將下移，同時HIS的電感與IDC結(jié)構(gòu)的等效電感LG并聯(lián)使HIS的實(shí)際電感L2減小，根據(jù)式(2)可得fH上移。

圖3 TIDC-EBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計

如圖3(a)所示，對EBG結(jié)構(gòu)單元的幾何參數(shù)用以下參數(shù)集(p,w,h1,h2,r,ε1,ε2,N,l1,l2,d)表示，其中p表示單元周期，w表示HIS的邊長，h1和h2分別是HIS與電源層和地層的距離，r表示過孔的孔徑，ε1和ε2分別是HIS與電源層和地層之間介質(zhì)的相對介電常數(shù)，N表示IDC個數(shù)，l1和l2分別是T型IDC每一個平面的長度和寬度，d表示IDC中相鄰平面之間的間距。

4 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證使用IDC方法的有效性，分別設(shè)計3種不同參數(shù)TIDC-EBG結(jié)構(gòu)的PCB測試板，同時利用平行板電源/地結(jié)構(gòu)和典型的蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。圖3(a)為N=5的TIDC-EBG測試板示意圖，所有的測試板面積均為60×40 mm2，端口1和端口2用于測量插入損耗，以測試板左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，橫向?yàn)閄軸，縱向?yàn)閅軸，端口1和端口2的位置分別是(19.9 mm, 9.9 mm)和(19.9 mm,54.9 mm)。其中，測試板TVA是兩層平行板電源/地結(jié)構(gòu)，兩層之間采用厚度為0.45 mm，介電常數(shù)為4.4的FR4材料；測試板TVB是典型蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)，參數(shù)含義見第3節(jié)EBG結(jié)構(gòu)單元，參數(shù)為(10 mm, 9.8 mm, 0.05 mm, 0.4 mm, 0.15 mm, 4.4, 4.4)；測試板TVC, TVD和TVE是3種N取不同值時的TIDC-EBG結(jié)構(gòu)，參數(shù)含義見第3節(jié)EBG結(jié)構(gòu)單元，且參數(shù)集分別為(10 mm, 9.8 mm, 5 mm, 0.4 mm,0.15 mm, 4.4, 4.4, 3, 4.95 mm, 9.8 mm, 0.05mm),(10 mm, 9.8 mm, 10 mm, 0.4 mm, 0.15 mm, 4.4, 4.4,1, 9.95 mm, 9.8 mm, 0.05 mm),(10 mm, 9.8 mm, 2 mm, 0.4 mm, 0.15 mm, 4.4, 4.4, 5, 1.95 mm, 9.8 mm,0.05 mm)。

本文采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS V11對測試板進(jìn)行插入損耗|S21|仿真，圖 4是測試板 TVC的仿真結(jié)果，并與測試板TVA和TVB的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。從圖中可以看出，-30 dB時測試板TVB的阻帶為930 MHz到7 GHz，阻帶寬度為6.1GHz，而測試板TVC的阻帶為290 MHz到7.4 GHz，阻帶寬度為7.1 GHz，所以TIDC-EBG結(jié)構(gòu)比典型蘑菇型 EBG結(jié)構(gòu)具有更寬的阻帶帶寬和更低的下截止頻率。圖5是改變IDC參數(shù)N和l1的兩種TIDCEBG結(jié)構(gòu)的測試板TVD和TVE插入損耗仿真結(jié)果，從圖中可以看出，TVD和TVE抑制SSN能力與TVC的性能接近，根據(jù)TVD和TVE的設(shè)計參數(shù)可知，相比于TVC，TVD的IDC正對面積增大，但I(xiàn)DC個數(shù)減小，而TVE的IDC正對面積減小，但I(xiàn)DC個數(shù)增大。所以在不降低TIDC-EBG結(jié)構(gòu)性能的情況下，增大IDC設(shè)計參數(shù)N可使IDC正對面積相應(yīng)減少，進(jìn)而降低整個EBG結(jié)構(gòu)的厚度，提高TIDC-EBG結(jié)構(gòu)在高速多層PCB中寬阻帶抑制SSN的性能。不過由于使用IDC結(jié)構(gòu)，使得該方法在PCB制作成本上相比于蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)有所增加，采用IDC的個數(shù)越多，其成本越高。所以需要合理選擇IDC的個數(shù)及其正對面積，節(jié)約PCB的制造成本。

圖4 測試板TVA, TVB, TVC插入損耗|S21|仿真圖

圖5 測試板TVD, TVE插入損耗|S21|仿真圖

5 結(jié)論

本文基于蘑菇型 EBG結(jié)構(gòu)提出一種新穎的展寬阻帶寬度的方法，并設(shè)計TIDC-EBG結(jié)構(gòu)，從理論上分析IDC結(jié)構(gòu)提高阻帶帶寬的原因。通過仿真驗(yàn)證該 EBG 結(jié)構(gòu)可以有效的抑制高速多層印刷電路板中存在的 SSN，并經(jīng)分析討論在不改變TIDC-EBG結(jié)構(gòu)性能的情況下，適當(dāng)增大IDC設(shè)計參數(shù)N可以降低 EBG結(jié)構(gòu)的厚度，為寬帶多層EBG設(shè)計方法提供理論參考。

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