CSRR和EBG結(jié)構(gòu)用于高速混合電路系統(tǒng)噪聲抑制的理論與技術(shù).pdf

1、隨著集成電路技術(shù)和系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)的快速發(fā)展，高速混合電路系統(tǒng)的高性能、小型化、低成本和高可靠性等要求不斷提高。因?yàn)楦咚贁?shù)字電路的運(yùn)行速率不斷加快、射頻/微波電路的應(yīng)用頻率范圍不斷增大以及封裝結(jié)構(gòu)的尺寸不斷減小，由此產(chǎn)生的信號(hào)完整性(Signal Integrity，SI)、電源完整性(Power Integrity，PI)和電磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)等問(wèn)題也變得日益嚴(yán)重。如何在有效抑制

2、高速混合電路系統(tǒng)中噪聲傳播的同時(shí)，還可以保證系統(tǒng)的SI和EMC性能，成為目前需要迫切解決的問(wèn)題。
　　CSRR(Complementary Split Ring Resonator， CSRR)諧振器和EBG（Electromagnetic Bandgap，EBG）結(jié)構(gòu)作為人工電磁材料的典型結(jié)構(gòu)，除了自身具有帶隙特性之外，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工和系統(tǒng)集成，因此近年來(lái)得到廣泛的關(guān)注，并被用于微波、毫米波電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然而，它們?cè)诮?/p>

3、決高速混合電路系統(tǒng)噪聲抑制問(wèn)題的應(yīng)用還不是很多。
　　本文重點(diǎn)研究和分析如何利用CSRR諧振器和EBG結(jié)構(gòu)的電磁特性來(lái)解決高速混合電路系統(tǒng)中的噪聲抑制問(wèn)題。主要的研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下:
　　(1)提出改進(jìn)型的平面EBG結(jié)構(gòu)。對(duì)于傳統(tǒng)的平面EBG結(jié)構(gòu)，需要增加諧振單元的數(shù)目來(lái)增大噪聲隔離度;此外由于周期性結(jié)構(gòu)的自身局限性影響，通帶內(nèi)的波紋系數(shù)較大。本文通過(guò)在平面EBG結(jié)構(gòu)中加載DGS(Defected GroundStru

4、cture，DGS)、開(kāi)路枝節(jié)線和spurline諧振器，增大阻帶內(nèi)的噪聲抑制特性;將周期結(jié)構(gòu)根據(jù)Chebyshev函數(shù)來(lái)漸變分布，減小通帶內(nèi)的回波損耗。通過(guò)上述方法改善EBG結(jié)構(gòu)的傳輸特性之后，EBG諧振單元僅需要3階，因此可以減小濾波器結(jié)構(gòu)的尺寸，從而有效解決了平面EBG結(jié)構(gòu)在傳輸性能和結(jié)構(gòu)尺寸之間的矛盾。
　　(2)提出基于局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、CSRR諧振器和埋入式薄膜電容進(jìn)行電源分配網(wǎng)絡(luò)(Power Distribution N

5、etwork，PDN)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于CSRR諧振器的帶隙特性和薄膜電容材料的大容值等因素影響，電源/地平面對(duì)之間的同步開(kāi)關(guān)噪聲(Simultaneous Switching Noise，SSN)可以得到明顯抑制。噪聲的隔離度最大能到-130 dB，若以-60 dB為噪聲隔離標(biāo)準(zhǔn)，可以在0.41 GHz到15 GHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行抑制。與傳統(tǒng)的全局性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，采用局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以明顯減少對(duì)信號(hào)線返回電流路徑連續(xù)性的影響，從而改善信號(hào)

6、線的SI特性。此外，通過(guò)提取所設(shè)計(jì)PDN結(jié)構(gòu)的等效電路模型，并依此推導(dǎo)端口之間的頻率傳輸特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系式，可以有效指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　(3)提出基于CSRR諧振器和局部平面EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)PDN結(jié)構(gòu)。與其他傳統(tǒng)的EBG諧振單元相比，將自身具有阻帶特性的CSRR諧振器構(gòu)成EBG結(jié)構(gòu)的基本單元，可以增大SSN噪聲隔離性能;與全局EBG結(jié)構(gòu)相比，二者的頻率傳輸特性基本相同，局部EBG結(jié)構(gòu)可以明顯減少所需諧振單元的數(shù)目，從而減小對(duì)

7、信號(hào)線SI特性的影響;與參考完整電路相比，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以明顯減弱EMI輻射能量，從而減小對(duì)周圍電路的影響;與薄膜電容材料相比，采用FR-4材料作為介質(zhì)基底，可以降低設(shè)計(jì)成本。此外，通過(guò)提取所設(shè)計(jì)PDN結(jié)構(gòu)的等效電路模型，可以分析電路性能并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　(4)提出基于改進(jìn)型的CSRR諧振器設(shè)計(jì)高速差分信號(hào)的共模濾波器。通過(guò)在雙開(kāi)口環(huán)CSRR諧振器中間引入槽線，可以減小電感、增大電容，從而增大共模噪聲的阻帶頻率范圍和噪聲隔離深度