[发明专利]一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构的构建方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种解决高速电路噪声的紧致型电磁带隙结构的构建方法，本方法基于一种新型紧致型电磁带隙结构，该紧致型电磁带隙结构可以抑制高速电路电源分配系统的高频及超高频电源噪声。本发明属于高速电路领域。

(二)背景技术

随着电子产品向小型化和高集成度发展，电子产品的电源分配系统的结构也发生变化以支持系统越来越高的速度。最开始的电源分配系统是离散的电源馈线，之后发展到离散的电源地走线，继而到电源地填充和分割，最后发展为当今的多层高速电路的平面电源总线结构。高速电路电源分配系统的用途是提供晶体管执行芯片逻辑功能所需的电压与电流。平面电源分配系统的组成非常复杂，互连结构异常庞大。特别是最近10年来，芯片内集成的晶体管门数增加、器件所消耗的功率和电流增大以及器件的供电电压降低，使得电源分配系统成为高速电路设计的瓶颈之一。当代高速电源分配系统设计除了要保证基本电源配送功能外，还要考虑到信号完整性和电磁辐射等性能指标。

在印刷电路板上，电源分配系统由电源模块、电源地平面、各种电容组成。它们分别在不同的频率范围内做出响应。电源模块响应的频率范围大约是从直流到1kHz，大的电解电容提供电流并在1kHz到1MHz的范围内保持较低阻抗，高频陶瓷电容在1MHz到几百MHz的频率范围内保持较低阻抗，PCB板上的电源地平面对则在100MHz以上发挥重要作用。

电源地平面结构是当代平面电源分配系统功率传输性能最优良的部分，其有效频率非常高。印刷电路板和封装中都可以包含电源地平面对。电源地平面的主要问题就是它表现为电磁谐振腔，当高速信号切换参考平面时，整个电源地平面对构成了返回路径，高速切换的返回电流将注入到电源地平面对中，由于电源地平面构成的平面谐振腔具有固有的谐振频率。当信号的频率分量落在平面对的谐振平面上时，平面对的谐振模式就会被激励。在平面的谐振频率上，自阻抗和互阻抗的幅度可以达到很高值，这样就会导致信号完整性问题。另外在某种意义上，电源地平面对相当于于一个微波贴面天线，会成为印刷电路板和封装的主要噪声源。

同时，电源分配系统在不同的频率上，阻抗特性不同，这样在瞬间电流通过的时候就会产生一定的电压降和电压摆动，造成供电不连续，产生电源噪声。主要表现在电源噪声会降低射频/模拟电路的噪声容限，使芯片不能正常工作，增加数字电路的误动作，但是只有引入电源地平面，高速电路的互联速度才能提高。并能提供性能优异的电荷传输和交换平台。

从系统集成方面看，电子产品不可避免的包含数字和模拟、射频模块，电源系统的地面弹射噪声和同步开关噪声就成为产品设计的一个主要瓶颈。对于高速数字电路来说：电源噪声分为四个部分：(1)超高频率噪声，10GHz到100GHz(2)高频噪声，100MHz到1000MH(3)中频噪声，1MHz到10MHz，(4)低频噪声，1kHz到100kHz。传统的使用去耦电容抑制噪声的方法在低频到中频范围内很有效，但是在高频频段由于电容的高频自谐振特性会失效。

为了解决这个问题，电磁带隙结构被引入高速电路领域，电磁带隙结构能够有效解决高频(0.4GHz以上)的电源完整性问题。在电磁带隙结构的阻带内，表现出一种奇特的电磁特性，它为两平面间的高频电源提供了低阻抗通路，两参考平面交流短路，这就使得电源地平面产生的噪声迅速通过本地阻抗通路形成回路，不能向外传播，从而有效抑制集成电源系统中的地弹噪声和同步开关噪声，保证信号完整性和避免模块间的电磁干扰。

电磁带隙材料的概念来自光子晶体概念的推广，光子晶体是一种非常典型的光子带隙材料，利用光子晶体的禁带机制，可以对光进行更加自如的控制。随后，发现光子晶体的奇异特性可以推广到电磁频谱。电磁带隙材料的概念开始变得重要起来。电磁带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波，当电磁波在电磁带隙材料中传播时，受到材料谐振特性的影响，形成能带结构。能带与能带之间形成带隙，即电磁带隙，波长处在电磁带隙内的电磁波不能在该材料中传播。国外的学者提出了蘑菇状的电磁带隙结构，这种结构增加了一层金属层，并且电磁带隙表面的连接孔占用了大量的板面积，限制了布线空间和自由度。也有学者提出了共面型的电磁带隙结构，这种结构不同于以往的结构，它不存在导电过孔，加工工艺简单。而且我们还可以实现目标阻抗的降低，弥补去耦电容高频自谐振的漏洞。