高速电子系统电源分配网络噪声抑制与隔离

摘要

近年来，CMOS工艺技术的飞速进步推动电子系统朝着高性能、低电压、高密度、高功耗方向发展。随着电子系统工作频率不断攀升，电源分配网络（PDN）的分立与寄生效应逐渐突出，PDN噪声带来更为严重的影响，电源完整性设计将会更具挑战性。因为PDN噪声能量的频谱分布越来越宽，PDN对噪声、干扰与电压波动的免疫性越来越差，直流供电噪声容限也不断下降。抑制PDN噪声已经成为高速数字系统或混合信号系统的重大难题之一。
　　本文首先介绍了高速电子系统PDN的结构组成以及各部分的功能，在此基础上，讨论了中低频时PDN中电源或地结点的寄生电感造成的同步开关噪声（SSN）以及高频时平面谐振以及非理想返回路径(RPD)诱发的PDN噪声。
　　本文对中低频时可有效抑制PDN噪声的去耦电容网络设计方法作了相对详细的分析与讨论。为实现PDN噪声抑制频带无缝衔接，文中重点提出一种改进的低周期的增强型AI-EBG，可用于抑制超宽带地弹噪声（GBN），实现了从400MHz到9.5GHz宽频段-40dB的噪声抑制深度，克服了传统EBG结构噪声抑制带宽较窄和下截止频率较高的不足。结合去耦电容网络设计方法与增强型AI-EBG结构，可以覆盖低中频以及高频范围，对PDN噪声实现有效的抑制与隔离。
　　本文同时探讨了EBG应用于高速电路抑制PDN噪声时可能出现的问题，如信号完整性问题与抑制噪声功能退化问题。在实际应用时，当信号走线参考不完整的EBG电源平面时，出现的信号完整性问题可以通过采用差分信号和改进的嵌入式EBG设计来改善。本文分析了EBG电源平面嵌入于两个连续完整的地平面层之间时出现的PDN噪声抑制功能退化的机制，文中提出的改进方案不仅保持了嵌入式EBG结构的超宽带PDN噪声抑制特性，还保证了较好的信号质量。

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第一章 绪论

1.1 PDN噪声引起的问题

1.2 国内外研究现状与动态

1.3 课题研究内容与论文结构

第二章 PDN噪声的形成原理

2.1 PDN的结构及组成

2.2 PDN的等效电路模型

2.3 PDN噪声的形成

2.4 本章小节

第三章 PDN噪声的抑制

3.1 去耦电容网络方法基础

3.2 去耦电容网络设计原理

3.3 层次化的去耦电容网络的设计

3.4 其他方法

3.5 本章小节

第四章 增强型AI-EBG结构设计

4.1 AI-EBG结构及分析方法

4.2 AI-EBG结构等效电路模型及分析

4.3 增强型AI-EBG结构设计

4.4 本章小节

第五章 EBG结构应用相关问题

5.1 信号完整性问题

5.2 信号完整性问题分析及改善方法

5.3 EBG结构抑制地弹噪声功能退化

5.4 本章小节

第六章 结论和展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

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