基于局域和周期結(jié)構(gòu)的高速電路同步開關(guān)噪聲抑制研究.pdf

1、隨著集成電路向高速度、高密度、高功耗、低電壓和大電流的趨勢發(fā)展，電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）中由數(shù)字器件開關(guān)和高速信號過孔切換所激發(fā)的同步開關(guān)噪聲（SSN）已成為高速電路設(shè)計主要的瓶頸之一。PDN中的噪聲會造成電源地平面間的電壓波動引發(fā)嚴(yán)重的電源完整性（PI）問題、會造成信號衰減引發(fā)嚴(yán)重的信號完整性（SI）問題和會影響鄰近電路的工作造成嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）問題。由PDN噪聲所引發(fā)的問題，會隨著系統(tǒng)時鐘頻率的提高變得越來越嚴(yán)重。根據(jù)2008

2、年國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）的預(yù)測，到2022年片上時鐘頻率將達(dá)到14.3GHz，供電電壓將低至0.8V。這使得PDN中所容許的噪聲容限更小，目標(biāo)阻抗更低。未來高速電路中GHz頻段的PDN噪聲將會更加嚴(yán)重，PDN設(shè)計將會面臨更大的挑戰(zhàn)。然而去耦電容對PDN噪聲抑制的帶寬有限，前人所提出的很多噪聲抑制方法又面臨著諸多缺陷而很難應(yīng)用于工程實際。
　　在此背景下，本文專注于研究高速電路中同步開關(guān)噪聲的抑制。以實現(xiàn)工程應(yīng)用為目標(biāo)，提

3、出了新的可用于工程的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了新的方法改善電磁帶隙結(jié)構(gòu)的缺陷。本論文的主要研究成果如下：
　?。?）提出了一類蘑菇狀的局域噪聲抑制結(jié)構(gòu)，即蘑菇狀地平面結(jié)構(gòu)、雙面蘑菇狀地平面結(jié)構(gòu)和蘑菇狀電源島結(jié)構(gòu)。并對蘑菇狀地平面（MGP）局域結(jié)構(gòu)作了全面深入的研究。給出了預(yù)測MGP下截止頻率的等效電路和公式。詳細(xì)分析了MGP隨各參數(shù)變化的頻域特性，便于指導(dǎo)工程設(shè)計。從時域分析了MGP的實用性，證明了MGP對器件從電源吸取電流并沒有影響，克服了其

4、他平面型的局域結(jié)構(gòu)的應(yīng)用缺陷。最后從頻域探討了有效降低MGP的輸入阻抗的方法。
　?。?）針對平面EBG運(yùn)用到內(nèi)層時阻帶將會消失的問題，研究了埋置平面EBG結(jié)構(gòu)和短路過孔陣列用于多層電路板中多平面對的噪聲抑制。發(fā)現(xiàn)了埋置平面EBG和短路過孔陣列混用時由電源、地和EBG層構(gòu)成的兩平面對中具有相同的低頻特性這一現(xiàn)象，并做出了定性解釋。詳細(xì)討論和提出了降低埋置平面EBG下截止頻率的方法。與研究埋置平面EBG和短路過孔陣列混用時的高頻特性

5、的文獻(xiàn)一起，構(gòu)成了埋置平面EBG的理論基礎(chǔ)。同時我們還研究了采用高介電常數(shù)薄介質(zhì)厚度的埋置電容層和短路過孔陣列混用的噪聲抑制特性。
　　（3）針對過去一直沒有解決的EBG在通帶內(nèi)特性惡化的應(yīng)用缺陷問題，提出了在EBG邊界端接布洛赫阻抗的方法來改善EBG在通帶內(nèi)的特性。以AI-EBG為例，根據(jù)我們所提出的模型首次得出了AI-EBG結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系解析表達(dá)式，由解析表達(dá)式預(yù)測的阻帶與全波仿真符合得較好。由色散關(guān)系得到了AI-EBG結(jié)構(gòu)的

6、布洛赫阻抗表達(dá)式，分析了EBG結(jié)構(gòu)邊界端接不同阻抗負(fù)載時的噪聲抑制特性。通過我們所提出的方法可以明顯降低EBG在通帶內(nèi)的諧振，在通帶內(nèi)的信號傳輸質(zhì)量得到改善，同時端口的輸入阻抗曲線更加光滑，峰值已大大降低，可以更加容易的使端口的輸入阻抗?jié)M足目標(biāo)阻抗的要求，緩解EBG結(jié)構(gòu)對IC從電源吸取暫態(tài)電流能力的阻礙，為EBG結(jié)構(gòu)的實用奠定了基礎(chǔ)。
　?。?）針對去耦電容在低頻和EBG結(jié)構(gòu)在高頻分別具有良好的噪聲抑制特性，分析了去耦電容與EBG