抑制SSN的新型內(nèi)插L-EBG結(jié)構(gòu)

摘要：本文提出的是一種基于平面型EBG (Electromagnetic Bandgap)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)，對(duì)于同步開(kāi)關(guān)噪聲(Simultaneous Switching Noise, SSN)的抑制有更優(yōu)秀的特性。我們?cè)O(shè)計(jì)的這款新型EBG結(jié)構(gòu)，是在周期性L(fǎng)-bridge EBG結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在一些單元內(nèi)插小型的L-bridge EBG。通過(guò)仿真驗(yàn)證，此結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)型L-bridge EBG結(jié)構(gòu)所不具有的超帶寬抑制能力和較大的抑制深度。然后我們運(yùn)用電路模型和平行板諧振腔原理分析了該結(jié)構(gòu)上下變頻。另外，通過(guò)3-D仿真，得到結(jié)構(gòu)的IR-Drop和直流阻抗。最后，通過(guò)眼圖驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的信號(hào)傳輸特性。

引言

　　近年來(lái)，隨著電子系統(tǒng)的工作頻率越來(lái)越高，邊沿速率越來(lái)越快，供電電壓越來(lái)越低^[1]，造成電壓噪聲容限下降，使得SSN已成為高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。由于SSN會(huì)造成嚴(yán)重的信號(hào)完整性或電源完整性問(wèn)題，為了保證系統(tǒng)正常工作，對(duì)SSN的抑制尤為重要^[2-3]。

　　EBG結(jié)構(gòu)是有效抑制SSN的方法之一。目前，已經(jīng)發(fā)展出多種EBG結(jié)構(gòu)，例如以蘑菇型EBG(Mushroom-type EBG)結(jié)構(gòu)為代表的3D 嵌入式EBG結(jié)構(gòu)^[4-8]和以L(fǎng)-Bridge EBG結(jié)構(gòu)為代表的共面型EBG(Coplanar compact EBG)結(jié)構(gòu)^[2，9-13]。

　　本文提出了一種新型L-bridge EBG結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)每個(gè)單元的電源平面插入小型的L-EBG，地平面保持完整。并通過(guò)仿真，在抑制深度為-30dB時(shí)，帶寬從461 MHz一直延伸到12GHz。

1 新型內(nèi)插L-EBG結(jié)構(gòu)方法的分析設(shè)計(jì)

　　新結(jié)構(gòu)是在3×3單元組成的90×90×0.4mm³周期性L(fǎng)-Bridge EBG結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，有選擇性地在原單元中心區(qū)域挖空并插入小型L-Bridge EBG結(jié)構(gòu)。其中L-Bridge單元結(jié)構(gòu)如圖1(a)，內(nèi)插的L-Bridge單元結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。此結(jié)構(gòu)僅在電源平面進(jìn)行開(kāi)槽，地平面則保持完整。具體參數(shù)如下所示：a₁=30mm,a₂=15.9mm,b₁=28.2mm,b₂=14.3mm,b₃=14mm,g₁=0.3mm,g₂=0.5mm,g₃=0.9mm,g₄=0.5mm,w₁=0.2mm,w₂=0.1mm,w₃=0.2mm,w₄=0.2 mm。介質(zhì)為介電常數(shù)εr=4.4，耗散因子為tanδ=0.02的FR4材料。介質(zhì)厚度為0.4mm，銅箔厚度為0.035mm。如圖2所示，為驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)對(duì)于SSN噪聲的抑制能力，共設(shè)定4個(gè)50Ω的集總同軸端口，各個(gè)端口的物理位置為：(30mm，30mm，0mm)，(0mm，60mm，0mm)，(-30mm，30 mm，0mm)和 (-30mm，0mm, 0mm)，其中將Port1設(shè)為輸入端口，剩余端口均設(shè)定為輸出端口。

　　為得到所提出結(jié)構(gòu)的電源噪聲抑制能力，通過(guò)Ansoft HFSS 15軟件對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電磁仿真，最終得到所需端口間的S參數(shù)的幅值，如圖3所示。從圖3可以看出，在-30 dB抑制深度下，新型選擇性?xún)?nèi)插式EBG結(jié)構(gòu)的噪聲抑制效果良好，阻帶從461 MHz左右延伸到12 GHz并覆蓋所有所設(shè)端口，具有超帶寬抑制能力。

　　圖4所示為新型L-EBG與傳統(tǒng)的L-bridge EBG結(jié)構(gòu)(沒(méi)有內(nèi)插的L-EBG結(jié)構(gòu)，其他尺寸保持相同)、完整地平面的電源噪聲抑制能力的對(duì)比。不難看出，在-30dB為參考標(biāo)準(zhǔn)的抑制深度下，提出的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的L-EBG結(jié)構(gòu)下截止頻率大致相同，但是很顯然新結(jié)構(gòu)的上截止頻率相比于開(kāi)槽型L-bridge EBG結(jié)構(gòu)要大很多，增加了近7.2GHz。可見(jiàn)新提出的EBG結(jié)構(gòu)具有較大的帶寬優(yōu)勢(shì)。

2 上下邊頻估算

2.1 下邊頻估算

　　共面型EBG結(jié)構(gòu)的下邊頻一般在幾百兆頻帶內(nèi)，而EBG結(jié)構(gòu)單元的周期長(zhǎng)度一般僅為數(shù)十毫米。EBG結(jié)構(gòu)工作在這頻率段內(nèi)時(shí)，其幾何長(zhǎng)度與工作波長(zhǎng)相比可忽略不計(jì)。因此在低頻段，EBG結(jié)構(gòu)在功能上等同于由多個(gè)集總電路元件組成的低通濾波器。這些元件由EBG單元的總體尺寸決定。這些集總元件包括平面電容C_p及寬導(dǎo)體方形平面回路電感Lp，橋連線(xiàn)電容C_b、電感Lb以及單元塊間隙耦合電容Cg。這些參數(shù)的表達(dá)公式分別如下^[14-15]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第52頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。