基于電磁帶隙結(jié)構(gòu)的高速混合信號(hào)電路板噪聲抑制

申才立陳瑞明王棟徐霄蘇浩航

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基于電磁帶隙結(jié)構(gòu)的高速混合信號(hào)電路板噪聲抑制

申才立陳瑞明王棟徐霄蘇浩航

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

針對(duì)空間遙感相機(jī)發(fā)展特點(diǎn)以及高速混合信號(hào)集成電路的發(fā)展趨勢(shì)，如何抑制電路板上的噪聲成為目前研究的一個(gè)重要方向。文章在分析傳統(tǒng)的去耦電容降噪方法和最新的電磁帶隙結(jié)構(gòu)降噪原理的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的電磁帶隙結(jié)構(gòu)來抑制電路板上的噪聲；通過對(duì)該電磁帶隙結(jié)構(gòu)的仿真，得出此結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上降低電路板上的噪聲；在此基礎(chǔ)上，文章更進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于該電磁帶隙結(jié)構(gòu)的應(yīng)用電路板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；通過對(duì)電路板上測(cè)量的噪聲數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)降噪的有效性，其中噪聲的均方根值平均降低幅度為27.96%；最后針對(duì)一款實(shí)際應(yīng)用的CCD相機(jī)成像電路板，通過對(duì)比測(cè)量成像后圖像信噪比數(shù)據(jù)，得出使用該新型電磁帶隙結(jié)構(gòu)時(shí)，CCD成像的信噪比有了一定程度的提高，為電磁帶隙結(jié)構(gòu)在空間遙感相機(jī)電路等其他工程上的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)參考。

混合信號(hào) 高速電路 電路板 電磁帶隙 噪聲 空間遙感相機(jī)

0 引言

隨著高分辨率成像技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代遙感相機(jī)的成像電路越來越復(fù)雜，并出現(xiàn)向高集成度和高速方向發(fā)展的新特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)要求，電路板上需要集成越來越多的晶體管，電路板上不同的電路部分也需要不同的電源供電，如核心電路的電源、輸入輸出接口電路的電源、內(nèi)部時(shí)鐘的電源等，這些都需要電路板上的電源分配網(wǎng)絡(luò)來提供。而隨著電路板上各種功能的電路同時(shí)工作或者時(shí)鐘高速轉(zhuǎn)換時(shí)，不可避免地在電路板的供電電源中產(chǎn)生含豐富高頻分量的紋波干擾，從而產(chǎn)生電源噪聲。再加上電路板上供電電壓也越來越低，例如由以前的5V供電向1V甚至更低電壓供電發(fā)展，這樣電路板上噪聲就成為一種不可忽略的問題[1]。如何使電路板供電電源穩(wěn)定，即盡可能的降低電路板上電源分配系統(tǒng)的噪聲，成為現(xiàn)在一個(gè)重點(diǎn)的研究方向。

由于電路板上的電源紋波噪聲是工程上經(jīng)常遇到的問題，其中同步開關(guān)噪聲（simultaneous switching noise, SSN）是制約PCB性能指標(biāo)的一個(gè)重要因素[2]。由于電源的輸出端到芯片存在著阻抗，從等效集總電路的角度來看，其阻抗可以等效為集中分布的電阻和電感元器件。當(dāng)多個(gè)驅(qū)動(dòng)門電路同時(shí)打開，或者時(shí)鐘同時(shí)翻轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)有很大的電流在這些路徑中流動(dòng)。這些瞬間的電流涌入這些感性元件時(shí)，會(huì)在其上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成電壓降，從而引起同步開關(guān)噪聲[3-6]。這些同步開關(guān)噪聲會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量（quality，全文同）和時(shí)序，從而導(dǎo)致數(shù)字電路誤采樣。尤其是在混合信號(hào)處理電路中，同步開關(guān)噪聲容易在電源/地平面所構(gòu)成的平行板波導(dǎo)中傳播，使得這些噪聲耦合到模擬信號(hào)處理電路中，嚴(yán)重降低了信號(hào)的質(zhì)量[7]。而對(duì)應(yīng)到相機(jī)成像電路中，就會(huì)導(dǎo)致圖像信噪比急劇下降，對(duì)CCD成像質(zhì)量造成很大影響。

為了有效抑制同步開關(guān)噪聲的傳播，目前工程上常用的方法是添加去耦電容。它為電流環(huán)路提供了低阻抗的本地通路，從而能夠抑制同步開關(guān)噪聲。但是，使用去耦電容抑制同步開關(guān)噪聲的頻率范圍比較有限，一般情況下，它只對(duì)低頻段有一定的效果[8]。針對(duì)這種情況，一些學(xué)者提出了一種電磁帶隙（electromagnetic band-gap, EBG）的方法來抑制同步開關(guān)噪聲[9-12]。由于EBG結(jié)構(gòu)抑制帶寬較寬以及其在高頻段效果顯著，近年來，用該結(jié)構(gòu)抑制電源平面上SSN的傳播成為重要的研究課題。本文提出一種適用于在高速電路中有效抑制SSN的新型EBG結(jié)構(gòu)，并使用仿真軟件對(duì)該EBG結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行了分析。然后結(jié)合應(yīng)用電路對(duì)其工程應(yīng)用性做了一定的實(shí)驗(yàn)研究。

1 EBG結(jié)構(gòu)介紹及新型EBG模型設(shè)計(jì)

1.1 EBG結(jié)構(gòu)介紹

EBG結(jié)構(gòu)首先是由Sievenpiper提出，用于抑制天線的表面波[13-15]。這種結(jié)構(gòu)在電源平面或地平面上蝕刻周期性的基本單元，每個(gè)基本單元主要由分支和小塊兩部分組成。EBG結(jié)構(gòu)利用自身的諧振特性能夠抑制噪聲在電路板中的傳播，從而有效的抑制SSN。圖1所示為一種典型平面EBG結(jié)構(gòu)的基本單元[16]，其電磁特性可以采用等效電感和等效電容來描述，這樣周期性的EBG結(jié)構(gòu)就可以等效為集總參數(shù)的LC網(wǎng)絡(luò)。在EBG結(jié)構(gòu)的頻率帶隙范圍內(nèi)，其帶隙頻率相當(dāng)于等效的LC網(wǎng)絡(luò)諧振頻率。EBG結(jié)構(gòu)的帶隙起始截止頻率0和帶寬W可以表示為[17]：

式中0為帶隙起始截止頻率；W為帶寬；為等效電感；為等效電容；為自由空間的波阻抗，=120π。

圖1 典型平面EBG結(jié)構(gòu)的基本單元

1.2 新型EBG結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

結(jié)合EBG結(jié)構(gòu)的發(fā)展和分析可知，最關(guān)鍵的是EBG結(jié)構(gòu)基本單元模型的建立。在EBG結(jié)構(gòu)基本單元模型中，最主要的兩個(gè)參數(shù)是帶隙起始截止頻率0和帶寬W。而目前典型的EBG結(jié)構(gòu)降噪帶隙帶寬小于7GHz，而且起始截止頻率也較高，達(dá)到2.8GHz[18]。這與目前空間遙感相機(jī)電路中工作頻率狀況不符合。為了進(jìn)一步提高EBG結(jié)構(gòu)降噪的特性以及實(shí)用性，本文對(duì)式（1）、（2）中兩個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行了分析。

首先，若要提高降噪效果，可以選擇增大EBG結(jié)構(gòu)基本單元的尺寸，這樣就可以使計(jì)算公式中的和都增大。但是由于在實(shí)際工程應(yīng)用中PCB本身尺寸的限制，基本單元的尺寸不可能太大；而且如果基本單元尺寸增大的話，在PCB上能布置的EBG基本單元數(shù)量就會(huì)減少，就不能構(gòu)成有效的集總參數(shù)LC網(wǎng)絡(luò)，從而不能達(dá)到很好的降噪效果。因此應(yīng)盡量保持EBG結(jié)構(gòu)基本單元尺寸不要太大，本文在分析了相關(guān)文獻(xiàn)[4-12]以及進(jìn)行了多次仿真驗(yàn)證后，選擇了基本單元的尺寸為15mm×15mm。

其次，在一定的EBG結(jié)構(gòu)基本單元尺寸的基礎(chǔ)上，若使帶隙起始截止頻率0降低，從式（1）中可知：在保持等效電容不變時(shí)，可以采用增大等效電感的方法；在保持等效電感不變時(shí)，可以采用增大等效電容的方法。而若使帶隙的帶寬W增大，從式（2）可知：在保持等效電容不變時(shí)，可以采用增大等效電感的方法；在保持等效電感不變時(shí)，可以采用減小等效電容的方法。綜上分析，若采用改變等效電容的方法，則會(huì)使降低帶隙起始截止頻率0與增大帶隙的帶寬W產(chǎn)生矛盾。而采用增大等效電感的方法，則可以同時(shí)達(dá)到這兩種目的。因此，本文在選定EBG結(jié)構(gòu)基本單元尺寸的基礎(chǔ)上，盡量保證基本單元的等效電容，然后盡可能大的增加分支結(jié)構(gòu)，以增加等效電感，從而達(dá)到提高降噪效果的目的。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，本文在典型平面EBG結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出新型的EBG結(jié)構(gòu)模型，其基本單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中基本單元大小為15mm×15mm，橋接連線的線寬為0.2mm，縫隙為0.2mm，4個(gè)小塊的大小均為5.1mm×5.1mm。

圖2 新型平面EBG結(jié)構(gòu)基本單元

2 仿真驗(yàn)證

2.1 頻域仿真驗(yàn)證

根據(jù)圖2所示的新型EBG結(jié)構(gòu)基本單元模型，本文建立了一個(gè)3×3單元的兩層PCB模型（見圖3）。模型的尺寸為45mm×45mm，厚度為0.27mm。其中電源層和地層的厚度均為0.035mm，中間填充厚度為0.2mm、介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)。為了保持良好的信號(hào)完整性，在設(shè)計(jì)中優(yōu)先保證地平面層的連續(xù)，因此本文把EBG結(jié)構(gòu)嵌入電源平面[19]。

圖3 新型平面型EBG結(jié)構(gòu)模型示意

為了驗(yàn)證該模型的頻域特性，本文在模型上添加了兩個(gè)50Ω的集總型同軸端口，它們的位置分別為port1：（–18.75mm，–18.75mm），port2（18.75mm，18.75mm）。其中，坐標(biāo)原點(diǎn)為PCB平面的中心，port1為輸入端口，port2為輸出端口。本文以參數(shù)（又稱為散射參數(shù)，其中11表示反射參數(shù)，21表示透射參數(shù)）作為衡量該模型頻域特性的指標(biāo)，它是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以器件端口的反射信號(hào)以及從該端口傳向另一個(gè)端口的信號(hào)來描述電路網(wǎng)絡(luò)。采用ANSYS公司的HFSS軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。從新型EBG結(jié)構(gòu)的參數(shù)（21）曲線可以看出，參數(shù)為–30dB時(shí)，阻帶范圍為0.7~2.3GHz和3.0~10GHz，帶寬達(dá)到8.6GHz。與傳統(tǒng)EBG結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)降噪效果的提升。

圖4 新型EBG結(jié)構(gòu)S參數(shù)（S21）特性曲線

2.2 時(shí)域仿真

由上面的頻域范圍內(nèi)的仿真結(jié)果可知，本文提出的新型EBG結(jié)構(gòu)模型在起始截止頻率和抑制帶寬上都有很好的效果。為了更全面的分析該EBG結(jié)構(gòu)模型的特性，以便在工程上進(jìn)行使用，本文又在時(shí)域中對(duì)所提出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行同步開關(guān)噪聲抑制效果仿真對(duì)比。首先通過HFSS軟件對(duì)新型EBG結(jié)構(gòu)及無EBG結(jié)構(gòu)的對(duì)比參考模型提取出參數(shù)；然后用其提取值在仿真軟件ADS中進(jìn)行時(shí)域仿真分析。在電源平面的port1：（–18.75mm，–18.75mm），輸入高速數(shù)字信號(hào)，在port2（18.75mm，18.75mm），觀測(cè)由高速數(shù)字信號(hào)所產(chǎn)生的同步開關(guān)噪聲的情況。

根據(jù)工程用電路板的實(shí)際參數(shù)，在port1端輸入脈沖寬度為6.25ns，周期為12.5ns，上升沿和下降沿均為0.2ns，最大幅度為3.3V的單極性數(shù)字信號(hào)。仿真結(jié)果如圖5所示。

（a）輸入端的脈沖信號(hào) （b）經(jīng)過參數(shù)模型后的波形

（a）Pulse signal of input point （b）The wave form after-parameter

圖5 新型EBG結(jié)構(gòu)與參考平面時(shí)域仿真SSN抑制對(duì)比

Fig.5 The comparison between the new EBG structure and reference plane

從圖5的仿真結(jié)果對(duì)比中可以看出，經(jīng)過無EBG結(jié)構(gòu)參考模型的噪聲峰峰值為4mV，經(jīng)過EBG結(jié)構(gòu)的噪聲峰峰值為2.5mV。經(jīng)計(jì)算可知，新型EBG結(jié)構(gòu)能夠抑制掉37.5%的同步開關(guān)噪聲，從而提高了電路板的降噪性能。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證

在上述建模、仿真的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用電路，設(shè)計(jì)了加入該新型EBG結(jié)構(gòu)的電路板來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。該P(yáng)CB的尺寸為350mm×250mm，厚度為2mm。

該電路板為14層，其中，第2、4、7、11和13層為地層，除去頂層和底層外的其它層鋪設(shè)電源層和信號(hào)層。本文把EBG結(jié)構(gòu)嵌入在電源層上，即在第3、5、6、9、10和12層鋪設(shè)EBG結(jié)構(gòu)。

在鋪設(shè)EBG結(jié)構(gòu)時(shí)，由于部分區(qū)域過孔太多，有可能對(duì)EBG結(jié)構(gòu)基本單元本身造成很大破壞，從而起不到降低電路板噪聲的作用。所以，在布局EBG結(jié)構(gòu)基本單元時(shí)，既要充分考慮器件和過孔位置等因素的影響，又要在不破壞EBG結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)基本單元所在區(qū)域的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行細(xì)節(jié)性的微調(diào)。綜上可知，EBG結(jié)構(gòu)抑制噪聲的起始截止頻率和抑制帶寬與基本單元的電感和電容有關(guān)。所以，雖然改變了基本單元的部分布局，但整體上仍滿足等效集總LC電路結(jié)構(gòu)，對(duì)整體降噪效果的影響較小。

對(duì)該P(yáng)CB進(jìn)行制板、調(diào)試后進(jìn)行電路板上噪聲的測(cè)量。在工程上，測(cè)量時(shí)一般用均方根值（RMS）來表示，有時(shí)也可以用峰峰值（p-p）表示[1]。

為了方便對(duì)比分析，本文在測(cè)量時(shí)采集了電路板上多個(gè)不同位置的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。其中測(cè)量點(diǎn)1~18基本覆蓋了噪聲源端、噪聲敏感區(qū)域等區(qū)域，并涵蓋了數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)，以及測(cè)試范圍內(nèi)的所有電源電壓，能完整反映該P(yáng)CB板的噪聲情況。

通過多次測(cè)量對(duì)比分析后，選定了合適的帶寬和探頭的示波器進(jìn)行測(cè)量。并且在同樣的條件下分別測(cè)量?jī)蓧K電路板，即加入EBG結(jié)構(gòu)的電路板和沒有加入EBG結(jié)構(gòu)的參考電路板，并分別采集紋波噪聲的時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 時(shí)域范圍內(nèi)測(cè)量

合理設(shè)置示波器的參數(shù)，在相同的測(cè)量設(shè)置與條件下，對(duì)電路板上選取的噪聲測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。分別測(cè)量?jī)蓧K電路板上噪聲的均方根值，其中部分測(cè)量結(jié)果如表1所示。從測(cè)量結(jié)果可以看出，噪聲的幅值范圍為20~45mV。對(duì)比兩塊電路板，噪聲降低約7~12mV。具體的噪聲降低幅度以及降低比率如表1所示。從表1中可以看出，采用EBG結(jié)構(gòu)后，紋波噪聲的均方根值都有所降低，其平均降低幅度約為27.96%。

表1 電路板各測(cè)試點(diǎn)處噪聲均方根值（RMS）對(duì)比

Tab.1 The comparative Root Mean Square(RMS) of the PCB noise at some test-points

圖6為測(cè)量點(diǎn)16加入EBG結(jié)構(gòu)前后的噪聲對(duì)比。圖中綠色曲線（上部）為時(shí)域波形圖，黃色曲線（下部）為頻域響應(yīng)曲線。從測(cè)量結(jié)果可以看出，加入EBG結(jié)構(gòu)后噪聲均方根值降低了10.3mV，約降低26.96%。采用峰—峰值作為衡量依據(jù)時(shí)，可以看出參考板的峰—峰值為207.4mV，而采用EBG結(jié)構(gòu)的電路板的峰—峰值為168.4mV。可見，加入EBG結(jié)構(gòu)后，峰—峰值降低了39mV，約降低18.8%。驗(yàn)證了采用EBG結(jié)構(gòu)能夠較好地抑制電路板的噪聲。

（a）未加入EBG結(jié)構(gòu)的電路噪聲波形幅值 （b）加入EBG結(jié)構(gòu)電路噪聲波形幅值

（a）The amplitude of noise waveform without EBG （b）The amplitude of noise waveform with EBG

圖6 測(cè)量點(diǎn)16的噪聲均方根值對(duì)比

Fig.6 The comparison diagram of noise RMS in measured point 16

3.2 頻域范圍內(nèi)測(cè)量

為了更深入的了解該EBG結(jié)構(gòu)的降噪性能，本文對(duì)其頻域特性進(jìn)行了測(cè)量分析。在時(shí)域分析的基礎(chǔ)上，通過傅里葉變換（FFT）得到噪聲頻譜圖，從而觀察其頻域特性。

由于測(cè)量方法中不可避免的會(huì)引入測(cè)量誤差，而且本文所測(cè)量的噪聲在高頻段非常微小，很容易淹沒在測(cè)量本身引起的噪聲中。為了提高測(cè)量結(jié)果的可信度與可靠性，這里選取中、低頻段的噪聲進(jìn)行分析；再根據(jù)頻域仿真的降噪范圍，主要分析2GHz以下的噪聲頻譜。圖7為測(cè)量點(diǎn)15的噪聲頻譜的對(duì)比。圖中上部（黃色）曲線是未加入EBG結(jié)構(gòu)的電路板的噪聲頻譜，下部（綠色）曲線是加入EBG結(jié)構(gòu)的電路板噪聲頻譜。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，測(cè)量點(diǎn)15在960MHz~1GHz，1.22~1.45GHz以及1.74GHz附近的頻段內(nèi)能看出明顯的降噪效果，效果較優(yōu)的可以達(dá)到降低10dB的效果；降噪效果明顯的區(qū)域分別用紅圈進(jìn)行了具體標(biāo)示。對(duì)700MHz~2GHz頻段內(nèi)頻譜圖進(jìn)行分析可以初步得出，加入EBG結(jié)構(gòu)，能夠降低一定范圍內(nèi)的頻域幅值。

圖7 測(cè)量點(diǎn)15的噪聲頻譜對(duì)比

根據(jù)電路板本身時(shí)鐘的特點(diǎn)，其工作的主時(shí)鐘頻率是80MHz。該主時(shí)鐘頻率會(huì)以電磁波的形式在電路板內(nèi)傳播，成為電路板的一個(gè)主要噪聲源。因此本文對(duì)頻譜在80MHz處的降噪效果進(jìn)行了分析。

表2列出了在80MHz處部分測(cè)量點(diǎn)的噪聲抑制效果對(duì)比。從表2中可以看出，對(duì)于此主要噪聲源，采用EBG結(jié)構(gòu)后，可以降噪約5~14dB，噪聲平均抑制程度可以達(dá)到46%。表明該EBG結(jié)構(gòu)對(duì)電路板有一定的降噪效果。

表2 各測(cè)量點(diǎn)在80MHz處噪聲抑制對(duì)比

Tab.2 The comparative noise suppression of some test-points in 80MHz

綜上可知，采用EBG結(jié)構(gòu)的電路板相對(duì)于參考板來說，在時(shí)域和頻域兩個(gè)測(cè)量角度都取得了良好的降噪效果。

3.3 CCD相機(jī)成像電路降噪應(yīng)用實(shí)例

由前文的測(cè)量結(jié)果可以看出，采用EBG結(jié)構(gòu)的電路板能夠有效降低電路中的噪聲。在此基礎(chǔ)上，把該EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用于CCD相機(jī)的成像電路中，以驗(yàn)證其在工程實(shí)際應(yīng)用電路中的降噪效果。

工程上常用圖像信噪比來衡量CCD相機(jī)的成像質(zhì)量。為了方便兩塊電路板對(duì)比，本文在測(cè)量過程中測(cè)量了從完全無光到飽和光照的整個(gè)范圍內(nèi)一系列離散點(diǎn)，經(jīng)MATLAB處理，獲得不同圖像DN值對(duì)應(yīng)的信噪比，并繪制出圖像DN值與信噪比的散點(diǎn)圖，然后對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行曲線擬合，從而比較出信噪比變化。在同樣的光照和測(cè)量條件下，選取CCD相機(jī)的16個(gè)輸出通道進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8為其中一個(gè)通道的信噪比對(duì)比曲線，從圖中看出，采用EBG結(jié)構(gòu)后能夠在一定程度上提高CCD成像信噪比，平均能提高約1dB。

圖8 CCD成像信噪比對(duì)比

以CCD相機(jī)的通道2、11和14為例，選取1 000、3 000和4 500三個(gè)典型的圖像DN值及兩塊電路板分別對(duì)應(yīng)的圖像信噪比進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表3所示。

表3 典型圖像DN值對(duì)應(yīng)的圖像信噪比對(duì)比

Tab.3 The comparative imaging Signal-to-Noise-Ratio (SNR) in typical image digital numbers(DN)

從表3中可以看出，在三個(gè)典型圖像DN值下，采用EBG結(jié)構(gòu)的電路板上信噪比都得到了一定程度的提升，其中效果較好的可以提高1.36dB。

綜上測(cè)量分析結(jié)果，采用本文所設(shè)計(jì)的EBG結(jié)構(gòu)，能夠有效降低CCD相機(jī)成像電路的噪聲，從而提高圖像的信噪比。文中的設(shè)計(jì)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為工程實(shí)踐中提高CCD相機(jī)的成像質(zhì)量提供一定參考。

4 結(jié)束語

在傳統(tǒng)的去耦電容降低電路噪聲的方法之外，近年來出現(xiàn)的EBG方法可以降低電路噪聲，但多數(shù)只停留在仿真分析的階段。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型的EBG結(jié)構(gòu)來抑制電路板上的噪聲，并在仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了目前國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的工程實(shí)際用電路板的對(duì)比測(cè)量驗(yàn)證。從時(shí)域和頻域兩個(gè)角度進(jìn)行分析，證明了采用該新型EBG結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制電路板上的噪聲。至于該新型EBG結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)線的信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[10-12]的研究可以發(fā)現(xiàn)，采用差分線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可較好的解決信號(hào)完整性問題。最后，本文通過CCD相機(jī)成像電路的實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了EBG降噪方法可以有效地提高CCD相機(jī)的成像品質(zhì)。

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Noise Suppression in High-speed Mixed-signal PCB Using Electromagnetic Band-gap

SHEN Caili CHEN Ruiming WANG Dong XU Xiao SU Haohang

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Considering the development trends of space remote sensing camera and integrated circuit, the noise suppression in PCBs becomes a topical research theme. According to the traditional decoupling capacitor method and the electromagnetic band-gap (EBG) principles applied to circuit noise suppression, a novel EBG structure is proposed in this paper. With simulations of the EBG structure, the testing results show that the structure can restrain circuit noise obviously. Therefore, a prototype PCB was manufactured with design of the EBG structure, with which the measurement was implemented. And the RMS of the circuit noise has a reduction of 27.96%. By analyzing the contrast data, the validity of the noise suppression using this EBG structure is proved. Furthermore, based on an applied PCB in CCD camera imaging circuits, the PCB with EBG structure has better performance by comparison with the image SNR DATA, thereby the EBG structure can be applied in such engineering as space remote sensing camera integrated circuit.

mixed-signal; high-speed circuits; printed circuit boards(PCB); electromagnetic band-gap(EBG); noise; space remote sensing camera

（編輯：夏淑密）

TN402

A

1009-8518(2016)03-0065-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.03.008

申才立，男，1988年生，2015年獲中國(guó)空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)碩士學(xué)位。目前研究方向?yàn)殡娮有畔⑴c技術(shù)。E-mail：357370654@qq.com。

2016-02-14