專(zhuān)利名稱(chēng)：高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，具體涉及一種用于混合高速數(shù)字電路和射頻/模擬電路系統(tǒng)中，解決信號(hào)完整性和電源完整性問(wèn)題，寬阻帶抑制同步開(kāi)關(guān)噪聲的電源分配網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
隨著電子系統(tǒng)向高速度、高功耗、高密度、低電壓和大電流的趨勢(shì)發(fā)展，未來(lái)的混合電路系統(tǒng)中，需要將高速數(shù)字處理器、存儲(chǔ)器、射頻(RF)/模擬電路、傳感器、微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)、光電器件等多功能器件集成，這種微系統(tǒng)集成同時(shí)又要求具有通信和計(jì)算能力。系統(tǒng)級(jí)封裝(SOP)技術(shù)則為封裝-芯片協(xié)同設(shè)計(jì)提供了最有效的解決方案，成為微電子技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。在SOP技術(shù)中，高速數(shù)字電路芯片和射頻/模擬電路芯片常被設(shè)計(jì)在同一個(gè)集成電路系統(tǒng)。而在高速數(shù)字處理器中，由于數(shù)字開(kāi)關(guān)不同步所產(chǎn)生的噪聲，會(huì)通過(guò)電源分配網(wǎng)絡(luò)(PDN)耦合到射頻/模擬這些對(duì)噪聲較敏感的電路上。引起嚴(yán)重的鎖相環(huán)(PLL)抖動(dòng)和RF振蕩器的相位噪聲，進(jìn)而引發(fā)時(shí)序容限、噪聲容限的減小和誤碼率的增加。一般，晶體管的同步開(kāi)關(guān)行為需要吸取大量的瞬時(shí)電流，導(dǎo)致供電軌道電壓的波動(dòng)，而電壓波動(dòng)在PDN 上傳播又會(huì)形成分布式電源噪聲，隨后電源噪聲通過(guò)PDN耦合到信號(hào)線上，會(huì)引起信號(hào)畸變，眼圖閉合。另外，電源和地平面之間構(gòu)成的諧振腔也很容易被高速數(shù)字信號(hào)的返回電流和同步開(kāi)關(guān)噪聲(SSN)激勵(lì)而產(chǎn)生諧振，引發(fā)嚴(yán)重的電源平面噪聲和邊緣上的電磁輻射。因此，目前高速電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的重點(diǎn)正逐漸從信號(hào)完整性(Si)轉(zhuǎn)移到電源完整性(PI)領(lǐng)域。PDN是高速電路系統(tǒng)中最龐大也最復(fù)雜的互連分布結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)上所有元器件都會(huì)直接或間接的連接PDN上，大約有40%的互連空間用于PDN布局。也就是說(shuō)PDN 的設(shè)計(jì)及其噪聲管理影響了電路系統(tǒng)的所有方面。如何減小混合電子系統(tǒng)中的同步開(kāi)關(guān)噪聲成為當(dāng)代高速數(shù)字設(shè)計(jì)的主要瓶頸之一。為解決這一問(wèn)題，減小電源和地平面之間的SSN，保證電路系統(tǒng)SI、PI和電磁完整性(EMI)，過(guò)去已提出一些PDN設(shè)計(jì)方案。諸如添加去耦電容器、電源/地平面分割、優(yōu)化過(guò)孔的設(shè)計(jì)位置、設(shè)計(jì)過(guò)孔防護(hù)欄等等。這些噪聲抑制的方法各異，但也存在一些不足。比如，添加去耦電容器的方法，寄生電感會(huì)增大電容器的高頻阻抗，使得當(dāng)工作頻率大于GHz 以上時(shí)噪聲抑制措施失效。而電源/地平面分割的方法在抑制噪聲的同時(shí)，會(huì)造成返回電流路徑的不連續(xù)性，從而破壞了高速電路的信號(hào)完整性。另外，通過(guò)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象來(lái)選擇過(guò)孔的位置的方法，雖然可以避開(kāi)諧振頻率的諧振峰值，但平面諧振同時(shí)也具有頻率相關(guān)性， 使得該方法只能用于某些特定的諧振頻率點(diǎn)，具有一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，在埋置電容的一側(cè)金屬面上局部性的刻蝕互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器，另外一側(cè)的金屬面保持完整，這樣在抑制同步開(kāi)關(guān)噪聲的同時(shí)又較小的破壞返回電流路徑的連續(xù)性，從而保證了高速電路的電源完整性和信號(hào)完整性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的具體方案如下
本發(fā)明提供一種高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，包括電源平面分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、 高介電常數(shù)介質(zhì)基板(埋置電容)和互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器。所述互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器根據(jù)所述的電源平面分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)刻蝕在高介電常數(shù)介質(zhì)基板的金屬面上，可以在很寬的頻帶范圍內(nèi)對(duì)電源與地平面之間的同步開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行抑制。
所述電源平面分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種局部抑制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在混合高速電路系統(tǒng)中， 高速數(shù)字電路和射頻/模擬電路分布在不同的區(qū)域，互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器分布在高速數(shù)字電路和射頻/模擬電路所對(duì)應(yīng)的區(qū)域，測(cè)試端口分別位于諧振器中心。相比較全局抑制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，局部抑制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在對(duì)同步開(kāi)關(guān)噪聲寬阻帶抑制的同時(shí)，對(duì)電源平面的電流返回路徑破壞較小，從而保證電路的信號(hào)完整性。
所述高介電常數(shù)介質(zhì)基板即埋置電容為有耗介質(zhì)材料，相對(duì)介電常數(shù)=16，介質(zhì)厚度=14um，介質(zhì)表面的金屬厚度=35um，損耗角正切=0. 0019。
所述介質(zhì)襯底采用FR-4，是種有耗介質(zhì)材料，相對(duì)介電常數(shù)=4. 4，介質(zhì)厚度= 0. 8mm，介質(zhì)表面的金屬厚度=35mm，損耗角正切=0. 02。
所述互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器是種人工介質(zhì)諧振器，它屬于微波異性介質(zhì)的一種，當(dāng)電場(chǎng)軸向入射到諧振器表面時(shí)，在諧振器的諧振頻率上會(huì)產(chǎn)生負(fù)的介電常數(shù)，形成一個(gè)陡峭的傳輸禁帶。
本發(fā)明上述電源分配網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)以_60dB為噪聲抑制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該電源分配網(wǎng)絡(luò)能夠在0. 44GHz-15GHz頻率范圍內(nèi)對(duì)同步開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行抑制。同時(shí)，為便于使用SMA同軸接頭進(jìn)行連接測(cè)量，在埋置電容的上下兩側(cè)各加上一層FR-4介質(zhì)基板作為襯底，并在測(cè)試端口附近設(shè)計(jì)了一組通孔對(duì)來(lái)減小埋置電容的金屬面和上層FR-4介質(zhì)的金屬面之間的輻射損耗，以有效的測(cè)量電源面和地面間的噪聲耦合傳輸系數(shù)。本發(fā)明較小的破壞了返回電流路徑的連續(xù)性，從而又保證了高速電路的信號(hào)完整性。
本發(fā)明的有益效果有效解決高速混合電路系統(tǒng)中由于瞬態(tài)電流變化所引起的電壓波動(dòng)問(wèn)題，能夠明顯的抑制電源分配網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的同步開(kāi)關(guān)噪聲，保證混合電路中射頻/ 模擬電路模塊在寬頻帶范圍內(nèi)的正常工作；通過(guò)優(yōu)化互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器的尺寸大小，可以控制噪聲抑制的低頻截止頻率，增大噪聲抑制頻率帶寬范圍；通過(guò)在埋置電容的金屬面上蝕刻互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器可以明顯的加大噪聲抑制深度；同時(shí)基于局部抑制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以明顯的減小對(duì)返回電流路徑的破壞，相對(duì)于全局抑制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，能夠改善高速電路的信號(hào)完整性。


圖1為電源分配網(wǎng)絡(luò)中電源面結(jié)構(gòu)的俯視圖2為實(shí)際測(cè)量高速電路板中同步開(kāi)關(guān)噪聲的結(jié)構(gòu)圖3為單個(gè)測(cè)試端口的側(cè)視圖4為單個(gè)測(cè)試端口的俯視圖5為伴隨著測(cè)試高速電路板的邊長(zhǎng)尺寸a變化，噪聲抑制傳輸系數(shù)的變化曲線.一入 ，
圖6為伴隨著互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器的內(nèi)方形貼片的邊長(zhǎng)尺寸d變化，噪聲抑制傳輸系數(shù)的變化曲線；
圖7為伴隨著互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器的開(kāi)口環(huán)寬度尺寸g變化，噪聲抑制傳輸系數(shù)的變化曲線；
圖8為伴隨著互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器的槽線寬度尺寸s變化，噪聲抑制傳輸系數(shù)的變化曲線；
圖9為伴隨著互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器的共面波導(dǎo)線寬度尺寸w變化，噪聲抑制傳輸系數(shù)的變化曲線；
圖10為在埋置電容的金屬面上蝕刻互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器與埋置電容的金屬面完整時(shí)的噪聲抑制傳輸系數(shù)的比較圖11為在埋置電容的金屬面上蝕刻互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器與在FR-4介質(zhì)的金屬面上蝕刻互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器的噪聲抑制傳輸系數(shù)的比較圖12為所發(fā)明結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征與達(dá)成目的易于明白理解，以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
如圖1所示，為本發(fā)明所涉及的電源分配網(wǎng)絡(luò)的電源面結(jié)構(gòu)的俯視圖?；パa(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器分布在埋置電容7 —側(cè)的金屬面上，其中諧振器1代表高速數(shù)字電路所在位置，諧振器2代表射頻/模擬電路所在位置。
如圖2所示，為本發(fā)明所涉及的電源分配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在實(shí)際測(cè)試中的示意圖。其中兩個(gè)測(cè)試端口分別通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3與SMA同軸接頭4連接在一起來(lái)測(cè)試端口間的噪聲抑制傳輸系數(shù)。
如圖3所示，為本發(fā)明所涉及的單個(gè)端口測(cè)試結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。埋置電容7通常很薄，厚度約為14um，不便于使用SMA同軸接頭4來(lái)連接，在埋置電容7的上下兩側(cè)分別加上一層0. 8mm厚度的FR-4介質(zhì)基板6和8作為襯底，然后再使用SMA同軸接頭4連接電源平面的電源面和地面來(lái)進(jìn)行測(cè)試。通孔對(duì)5用來(lái)連接埋置電容7的金屬面和SMA同軸接頭4 一側(cè)的FR-4介質(zhì)的金屬面。
如圖4所示，為本發(fā)明所涉及的單個(gè)端口測(cè)試結(jié)構(gòu)的俯視圖。埋置電容7的金屬面在測(cè)試結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，通過(guò)在測(cè)試端口附近設(shè)計(jì)通孔對(duì)9和SMA同軸接頭4 一側(cè)FR-4介質(zhì)的金屬面連接在一起，可以無(wú)損耗的測(cè)量端口間的噪聲抑制傳輸系數(shù)。
如圖5所示，顯示了噪聲抑制傳輸系數(shù)隨著測(cè)試高速電路板的邊長(zhǎng)尺寸a變化的曲線圖，由于噪聲抑制主要取決于互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器，隨著電路板尺寸a變化，當(dāng)諧振器的尺寸大小不變時(shí)，電源分配網(wǎng)絡(luò)的噪聲抑制特性基本保持不變。
如圖6所示，顯示了噪聲抑制傳輸系數(shù)隨著互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器的內(nèi)方形貼片的邊長(zhǎng)尺寸d變化的曲線圖，隨著尺寸d變化，內(nèi)方形貼片的對(duì)地電容變大，低頻截止頻率變小。
如圖7-9所示，顯示了噪聲抑制傳輸系數(shù)隨著互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器的開(kāi)口環(huán)寬度尺寸g，槽線寬度尺寸s，共面波導(dǎo)線寬度尺寸w變化的曲線圖，由于內(nèi)方形貼片的對(duì)地電容很大，使得g，s, w尺寸的變化對(duì)低頻截止頻率的影響很小。
如圖10所示，顯示了分別在埋置電容上的金屬面上蝕刻互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器與埋置電容的金屬面完整時(shí)的噪聲抑制傳輸系數(shù)的比較，由比較圖可知，如果以噪聲抑制深度為-60dB為參考值，采用本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電源分配網(wǎng)絡(luò)能夠在0. 44GHz-15GHz頻率帶寬范圍內(nèi)對(duì)同步開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行抑制，達(dá)到寬頻帶高抑制度的噪聲抑制效果。
如圖11所示，顯示了分別在埋置電容的金屬面上蝕刻互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器與在 FR-4介質(zhì)金屬面上蝕刻互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器的噪聲抑制傳輸系數(shù)的比較，由比較圖可知，采用埋置電容來(lái)設(shè)計(jì)電源分配網(wǎng)絡(luò)，能夠明顯的對(duì)同步開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行抑制，達(dá)到寬頻帶高抑制度的噪聲抑制效果。
如圖12所示，顯示了本發(fā)明所涉及的電源分配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比圖，由對(duì)比圖可知，仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果基本吻合，達(dá)到了預(yù)計(jì)的寬頻帶高抑制度的噪聲抑制效果。
綜上，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電源分配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在以_60dB作為噪聲抑制參考值時(shí)，能夠在0. 44GHz-15GHz的頻率帶寬范圍內(nèi)對(duì)同步開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行抑制，當(dāng)改變互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器的內(nèi)方形貼片的邊長(zhǎng)尺寸d時(shí)，噪聲抑制傳輸系數(shù)的低頻截止頻率能夠相應(yīng)的發(fā)生變化，同時(shí)，本發(fā)明提出了一種端口測(cè)試結(jié)構(gòu)，在測(cè)試端口附近設(shè)計(jì)一組通孔對(duì)將埋置電容一側(cè)蝕刻互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器的金屬面和SMA同軸接頭一側(cè)FR-4介質(zhì)的金屬面連接在一起，可以無(wú)損耗的測(cè)量電源面和地面之間的噪聲抑制傳輸系數(shù)?？梢?jiàn)，本發(fā)明可以在明顯的對(duì)同步開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行抑制，達(dá)到寬頻帶高抑制度的噪聲抑制效果，同時(shí)減小了對(duì)返回電流路徑的破壞，保證了電源分配網(wǎng)絡(luò)的電源完整性和信號(hào)完整性。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等同物界定。
權(quán)利要求
1.一種高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于包括電源平面分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、 埋置電容和互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器，所述互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器根據(jù)所述的電源平面分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)刻蝕在埋置電容的金屬面上，對(duì)電源與地平面之間的同步開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行抑制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述埋置電容為有耗介質(zhì)材料，相對(duì)介電常數(shù)=16，介質(zhì)厚度=14um，介質(zhì)表面的金屬厚度=35um，損耗角正切=0. 0019。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于在所述埋置電容的上下兩側(cè)分別加上一層FR-4介質(zhì)作為襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于FR-4為有耗介質(zhì)材料，相對(duì)介電常數(shù)=4. 4，介質(zhì)厚度=0. 8mm，介質(zhì)表面的金屬厚度=35um，損耗角正切=0. 02。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于在所述埋置電容的測(cè)試端口附近設(shè)有一組通孔對(duì)，通過(guò)該通孔將埋置電容的金屬面與SMA接頭一側(cè)的 FR-4介質(zhì)的金屬面連接在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器與SMA同軸接頭插接，連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)量噪聲耦合傳輸系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器是種人工介質(zhì)諧振器，它屬于微波異性介質(zhì)的一種，當(dāng)電場(chǎng)軸向入射到諧振器表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)的介電常數(shù)，形成一個(gè)陡峭的傳輸禁帶。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述電源平面分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是種局部抑制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在混合高速電路系統(tǒng)中，高速數(shù)字電路和射頻/ 模擬電路分布在不同的區(qū)域，互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器分布在高速數(shù)字電路和射頻/模擬電路所對(duì)應(yīng)的區(qū)域，測(cè)試端口分別位于所述諧振器中心。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述電源分配網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)以_60dB為噪聲耦合抑制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該電源分配網(wǎng)絡(luò)能夠在0. 44GHz-15GHz頻率范圍內(nèi)對(duì)同步開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行抑制。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高速電路系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)，在埋置電容的一側(cè)金屬面上局部性的刻蝕互補(bǔ)開(kāi)口環(huán)諧振器，另外一側(cè)的金屬面保持完整；同時(shí)在埋置電容的上下兩側(cè)各加上一層FR-4介質(zhì)，使用SMA同軸接頭將電路板連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)試其端口間噪聲抑制傳輸系數(shù)。本發(fā)明有效解決高速電路系統(tǒng)中同步開(kāi)關(guān)噪聲抑制頻帶不夠?qū)?，抑制程度不夠深的?wèn)題，同時(shí)對(duì)電路的返回電流路徑的破壞性較小，基于本發(fā)明的混合高速電路系統(tǒng)具有良好的電源完整性，便于標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板工藝加工。
文檔編號(hào)H03H17/02GK102522962SQ20111035880
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者朱浩然, 毛軍發(fā) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)