一款緊湊增強(qiáng)型可變阻抗電磁帶隙結(jié)構(gòu)

曾秋云

(西安電子科技大學(xué) CAD研究所,陜西 西安 710071)

一款緊湊增強(qiáng)型可變阻抗電磁帶隙結(jié)構(gòu)

曾秋云

(西安電子科技大學(xué) CAD研究所,陜西 西安 710071)

基于傳統(tǒng)AI-EBG結(jié)構(gòu),提出了一種小尺寸的增強(qiáng)型電磁帶隙結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了從0.5～9.4 GHz的寬頻帶-40 dB噪聲抑制深度,且下截止頻率減少到數(shù)百M(fèi)Hz,可有效抑制多層PCB板間地彈噪聲。文中同時研究了EBG結(jié)構(gòu)在高速電路應(yīng)用時的信號完整性問題,使用差分信號方案可改善信號完整性。

地彈噪聲;高速電路;AI-EBG;信號完整性

高速高密度電子系統(tǒng)中,不斷增加的時鐘頻率及邊沿跳變率,以及持續(xù)減小的供電電壓與電壓容限,使得電源和地平面層之間產(chǎn)生的地彈噪聲給高性能系統(tǒng)設(shè)計帶來挑戰(zhàn),成為高性能系統(tǒng)設(shè)計中日益關(guān)注的主要問題之一。這種噪聲會導(dǎo)致數(shù)字電路中錯誤的邏輯切換以及模擬電路中功能失效,最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)功能錯亂[1]。所以,近年來,電源分配網(wǎng)絡(luò)(PDN)中地彈噪聲的抑制成為高速電子系統(tǒng)設(shè)計中日益關(guān)注的難點(diǎn)。

當(dāng)前,有多種技術(shù)被廣泛用于減少這種噪聲,如去耦電容,嵌入式電容,分割的電源平面等。去耦電容由于存在引線寄生電感,僅可在數(shù)百M(fèi)Hz以下頻率發(fā)揮作用。嵌入式去耦電容因寄生電感小,可在更高頻率工作,但因成本與技術(shù)成熟限制,使用范圍受限。分割的電源平面的間隙可以阻擋部分電磁波的傳播,但由于耦合效應(yīng),分割平面對高頻電磁波的隔離作用明顯減弱。

電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu),顯示出了在GHz以上頻率范圍優(yōu)良的噪聲抑制特性,在這一頻率范圍,常用的如去耦電容等方法都將失效。其中,AI-EBG(可調(diào)阻抗電磁帶隙結(jié)構(gòu)),有著優(yōu)良的地彈噪聲抑制特性[2]。然而,阻帶下截止頻率較高,分布在1 GHz以上,無法覆蓋數(shù)百M(fèi)Hz的頻率范圍,然而,對特定系統(tǒng)應(yīng)用,地彈噪聲能量頻譜卻主要分布在數(shù)百M(fèi)Hz的頻率帶內(nèi)。

本文提出一種基于傳統(tǒng)AI-EBG結(jié)構(gòu)的新型的小尺寸增強(qiáng)型EBG結(jié)構(gòu),這種新型結(jié)構(gòu)提供了低至-40 dB的噪聲抑制水平,噪聲抑制帶寬為9 GHz,從400 MHz～9.4 GHz,解決了AI-EBG設(shè)計中下截止頻率較高的缺點(diǎn)。

1 AI-EBG結(jié)構(gòu)原理

圖1(a)為AI-EBG電源/地平面對的設(shè)計。它是一種由金屬、介質(zhì)組合而成的電磁帶隙結(jié)構(gòu),包含由薄FR4介質(zhì)材料隔開的兩個金屬平面層。電源平面上設(shè)計了3×3的EBG單元結(jié)構(gòu)陣列。AI-EBG的單元結(jié)構(gòu)由正方形的金屬貼片和兩個連接金屬臂兩部分組成。如圖1(b)所示,單元結(jié)構(gòu)相應(yīng)幾何參數(shù)的分別表示為(a,b,c),其中a是正方形貼片的長度,b是連接臂寬度,c是連接臂的長度,可知EBG單元結(jié)構(gòu)的周期為a+c。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),僅在EBG平面增加了狹縫,沒有對疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動,從PCB制作工藝角度來說,并沒有帶來難度,成本也不會增加。

圖1 AI-EBG結(jié)構(gòu)

由于金屬連接臂與相應(yīng)參考平面體現(xiàn)的高特征阻抗,和正方形金屬貼片及相應(yīng)參考平面之間的低特征阻抗表現(xiàn)出的周期性阻抗攝動,電磁波(TEM)在傳播過程中,有些頻帶受到阻止,而其他頻帶則可以正常傳播[3]。

簡化的低階集總電路等效模型如圖2所示,Lpatch是金屬貼片及下方介質(zhì)、參考平面引入的電感,Cpatch則是金屬貼片的電容。Lbranch是金屬連接臂引入的電感,Cbranch是金屬連接臂引入的電容。Cgap是相鄰EBG單元結(jié)構(gòu)之間的間隙耦合效應(yīng)的等效電容。Cbranch非常小,可以忽略不計,因為金屬連接臂的尺寸相對金屬貼片而言很小。

圖2 AI-EBG單元結(jié)構(gòu)簡化集總電路等效模型

因此,該EBG結(jié)構(gòu)的等效電路可以進(jìn)一步簡化,可認(rèn)為是由電感電容組成的分立的LC網(wǎng)絡(luò),類似一個低通濾波器。因此,AI-EBG結(jié)構(gòu)的下截止頻率為

(1)

截止頻率定義為第一個阻帶開始出現(xiàn)時的頻率?？紤]到高階效應(yīng)以及高頻時的分布式效應(yīng),頻率較高時,EBG周期結(jié)構(gòu)等效為一個帶阻濾波器。相對帶寬與Lbranch的平方根成正比而與Cpatch的平方根成反比,結(jié)構(gòu)式為

(2)

由上式可知,增加Lbranch的值,不但可以降低下截止頻率,還可以擴(kuò)展相應(yīng)的有效帶寬。

2 增強(qiáng)型AI-EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于傳統(tǒng)的AI-EBG構(gòu)造中,設(shè)計了增強(qiáng)型的3×3的單元結(jié)構(gòu)陣列的AI-EBG電源/地平面結(jié)構(gòu),如圖3(a)所示。EBG單元結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示,介質(zhì)材料為FR4,相對介電常數(shù)4.4,損耗角正切為0.02,金屬平面材料為銅,厚度為0.035mm。與傳統(tǒng)AI-EBG相比,新型EBG構(gòu)造的關(guān)鍵特征在于,EBG電源平面蝕刻增加了兩條狹縫,從而引入了兩個長而窄的L形的連接臂,增大了相鄰EBG方形貼片之間的連接電感,由式(2)可知,其可獲得更低的下截止頻率。

圖3 增強(qiáng)型EBG結(jié)構(gòu)

相應(yīng)的參數(shù)a,b,c所代表的意義與AI-EBG類似,而d和e表示為連接臂和狹縫的尺寸。本文設(shè)計中,a=15.2 mm,b=0.3 mm,c=0.25 mm,d=0.3 mm,e=0.25 mm。3個端口port1～port3分別位于(23.05 mm,23.05 mm),(38.5 mm,38.5 mm)和(7.6 mm,23.05 mm),用于HFSS全波仿真插入損耗,如圖3(a)所示。

3 地彈噪聲抑制性能

EBG構(gòu)造的抑制地彈噪聲性能可以由跨越數(shù)個EBG單元結(jié)構(gòu)的兩個端口之間的S參數(shù)表征。

圖4顯示了位于增強(qiáng)型AI-EBG端口1和端口2之間的插入損耗S21,結(jié)果由HFSS軟件仿真所得,兩個參考板:電源和地平面保持完整的平面對,上文提到的具有相同尺寸結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)AI-EBG結(jié)構(gòu)的插入損耗S21同樣在圖中顯示,以供比較。在這3種情況下,集總端口的坐標(biāo)位置相同。

圖4 插入損耗S21比較

從仿真結(jié)果可以看出,與電/地平面完整的參考板及傳統(tǒng)AI-EBG結(jié)構(gòu)相比,本文提出的新型增強(qiáng)型AI-EBG結(jié)構(gòu)的噪聲抑制帶寬約為9.1 GHz,覆蓋了400 MHz～9.5 GHz寬頻帶范圍,噪聲抑制帶寬定義為S21低于-40 dB的頻率帶。新型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的下截止頻率由傳統(tǒng)AI-EBG結(jié)構(gòu)的1.94 GHz下降至400 MHz,下截止頻率的明顯降低得益于所提出新型增強(qiáng)型EBG結(jié)構(gòu)電源平面上L形連接臂引入的電感。對特定系統(tǒng)應(yīng)用,地彈噪聲大部分的能量譜分布在1 GHz以下頻帶,因此EBG結(jié)構(gòu)用于地彈噪聲抑制時,較低的下截止頻率比擴(kuò)展頻率帶寬及增大上截止頻率有意義。

圖5中顯示了插入損耗系數(shù)S31、S21,以分析增強(qiáng)型AI-EBG結(jié)構(gòu)的仿真端口位置對噪聲抑制性能的影響,可以看出,所提EBG結(jié)構(gòu)的噪聲抑制性能并未因端口位置的差異而受到顯著影響,只是位于中低頻段的下截止頻率有輕微的偏移。這意味著,所提出的低周期EBG電源層結(jié)構(gòu)可以全面抑制位于電源分配網(wǎng)絡(luò)中電源/地平面之間的地彈噪聲。

圖5 增強(qiáng)型AI-EBG不同端口位置處S21、S31比較

4 信號完整性問題

由于EBG結(jié)構(gòu)要在平面上蝕刻周期性圖案結(jié)構(gòu),從而平面上會有狹縫,無法保持完整,如果高速信號參考EBG平面,由于參考平面不完整,信號遇到的阻抗通常會發(fā)生較大波動與變化,信號質(zhì)量將退化[4]。

電磁帶隙結(jié)構(gòu)對信號完整性的影響通?？梢酝〞r域仿真的眼圖進(jìn)行快速分析。仿真模型如圖6所示,疊層結(jié)構(gòu)由由往下,依次為信號層、EBG電源層、地平面層、信號層,電源平面設(shè)計3×4的EBG單元結(jié)構(gòu)陣列,而地平面保持連續(xù)完整。一條長度為46 mm的單端信號走線,經(jīng)過兩個過孔,其信號線的參考平面由EBG結(jié)構(gòu)電源平面切換到地平面后再切換至EBG結(jié)構(gòu)電源平面。

圖6 單端線信號完整性仿真模型

信號走線的阻抗為50 Ω,信號線寬度為0.4 mm,介質(zhì)材料為FR4,厚度為0.225 5 mm,其他參數(shù)與圖示結(jié)構(gòu)保持一致。

單端信號的S參數(shù)由全波電磁仿真軟件HFSS計算,然后導(dǎo)入到Ansoft Designer中進(jìn)行電路仿真,產(chǎn)生眼圖。激勵碼率源為2.5 GHz,碼型長度為27-1,不歸零(NRZ)編碼偽隨機(jī)位序列源(PRBS)。激勵源的電壓擺幅與和邊沿上升/下降時間分別為500 mV和120 ps,信號源注入端口1,信號沿著信號線傳播,在端口2觀測信號傳輸眼圖。

圖7分別顯示了電源/地平面完整的參考板以及文中所提3×4陣列EBG電源平面結(jié)構(gòu)的眼圖。最大眼高(MEO)和最大眼寬(MEW)是眼圖質(zhì)量最簡單的兩個評價參數(shù)。

圖7 眼圖

對電源/地平面都保持連續(xù)的參考板:MEO=134.33 mV,而MEW=170.1 ps;文中所提出的EBG電源平面:MEO=228.33 mV,MEW=195.5 ps。由于電源平面引入EBG陣列,MEO與MEW的退化分別為41.16%和12.9%。

這表明,周期性的高阻抗電磁帶隙表面破壞了原本相對完整的信號返回路徑,導(dǎo)致阻抗周期性變化,信號受到干擾,信號質(zhì)量顯著惡化。

而為增大阻帶帶寬、降低下截止頻率而增大連接臂電感的方法,導(dǎo)致回流路徑中電感效應(yīng)更明顯,從而使信號質(zhì)量更差。從EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計角度來說,要增大阻帶帶寬、降低下截止頻率,最好的方法是增加連接臂以增加連接電感,但這必然導(dǎo)致信號回流遇到感性阻抗突變,因而信號完整性質(zhì)量相對傳統(tǒng)AI-EBG結(jié)構(gòu)仿真板進(jìn)一步變差,這是EBG設(shè)計中難以避免的。

為改善信號完整性問題,可以采取差分信令方案。圖8(a)為采用差分信號線的模型,差分布線的差分阻抗被設(shè)計為100 Ω差分阻抗,每條信號線的寬度從0.5 mm減小至0.3 mm,且差分信號線之間的間距為0.25 mm。差分PRBS信號源的擺幅為250 mV,歸一化的邊沿上升/下降時間為100 ps。

差分信號模型的仿真結(jié)果眼圖如圖8(b)所示,MEO=232.03 mV,MEW=195.2 ps。采用差分信號能夠大幅改善信號完整性質(zhì)量。

圖8 差分線方案

5 結(jié)束語

本文提出一種新型低周期增強(qiáng)型AI-EBG結(jié)構(gòu),可用于抑制超寬帶GBN地彈噪聲,它實(shí)現(xiàn)了400 MHz～9.5 GHz頻段-40 dB的噪聲抑制水平,克服了傳統(tǒng)電磁帶隙結(jié)構(gòu)噪聲抑制帶寬有限和下截止頻率較高的缺點(diǎn)。當(dāng)信號走線參考不完整的EBG電源平面時,出現(xiàn)的信號完整性問題可以通過采用差分信號來改善。

[1] Patnam H R,Karunakaran S,Swaminathan M.A novel compact electromagnetic bandgap structure in power plane for wideband noise suppression and low radiation [C].Chennai,India:IEEE Xplore,Advanced Packaging and Systems Symposium,2008.

[2] Choi J,Swaminathan M.Noise isolation in mixed-signal systems using alternating impedance electromagnetic bandgap (AI-EBG) structure-based power distribution network (PDN)[J].IEEE Transactions on Advantage Packag,2010,33(1):2-12.

[3] Yan Zhaowen.A novel EBG structure with embedded mender bridge and its application on SI and PI[J].Electrical Review,2012,88(7):113-119.

[4] 吳瓊碩,袁興朝.高速信令[M].李玉山,初秀琴,路建民,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2014.

A Compact and Enhanced AI-EBG

ZENG Qiuyun

(Research Institute of Electronic CAD,Xidian University,Xi’an 710071,China)

A compact and enhanced electromagnetic band-gap(EBG) structure based on alternating impedance electromagnetic bandgap(AI-EBG) is proposed in this paper,which can provides -40 dB noise suppression performance from 0.4 GHz to 9.5 GHz for efficient and ultra-wide band suppression of the ground bounce noise in multilayer PCB.The paper discusses the problem of signal integrity when the EBG structure is applied in real high speed circuits.Differential signals can be used to obtain good signal integrity.

ground bound noise;high-speed circuits;AI-EBG structure;signal integrity

2014- 09- 14

曾秋云(1988—),男,碩士研究生。研究方向:信號完整性,電源完整性設(shè)計。E-mail:chizexin@sina.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.031

TN820.1

A

1007-7820(2015)04-116-04