（无线电物理专业论文）系统芯片中的基片电磁耦合及其抑制.pdf

摘要 本论文结合教育部博士点基金 教育部科学技术研究重点项目 任务对于系 统芯片 s o c 中存在的基片电磁耦合问题及其对系统工作性能的影响作了比较 全面的分析 介绍了目前存在的抑制基片电磁耦合的方法 通过抑制基片电磁耦 合从而实现在系统芯片中抑制信号串扰的目的 绪论部分介绍了系统芯片的产生背景 具有的优点 以及其目前在电磁兼容 方面存在的问题 本课题国内外研究概况以及课题所做主要工作 接着 根据本 课题的特点 介绍了在本课题研究过程中所要涉及到的一些基本概念 这是文章 第二部分的内容 在第三部分中 介绍了系统芯片中基片电磁耦合存在的几种通道模型 并且 对各自存在的原理和特点做了分析 对目前存在的抑制基片电磁耦合措施作了理 论上的分析 并且比较详细地介绍了所采取的一些具体措施 第四部分是主要介绍了本文在课题研究阶段所做的工作 本文的主要的工作 包括两个方面 第一 在具体分析了系统芯片的电磁耦合特点以及目前存在的屏 蔽措施的基础上 文中提出并设计了一种新型互连传输线 p s f g c p w 理论研 究表明这种新型传输线具有良好的传输性能以及电磁屏蔽效果 第二 在第一阶 段工作的基础上 本文发展了前面的工作 针对所提出的新型互连传输线的结构 特点 提出一种新型的低通滤波器 并且对其进行了分析 理论研究表明这种新 型结构的滤波器结合了p s f g c p w 传输线和正弦阻抗加载滤波器两者的优点 此外该滤波器还具有良好的慢波特性 这对于高性能慢波器件的设计具有较高的 价值 在介绍了前面各部分的基础上 本论文在第五部分对课题阶段所做的工作做 了系统小结 本文的贡献在于 针对系统芯片中存在的基片电磁耦合问题 提出了一种新 型的具有良好屏蔽性能的互连传输线 并且在此基础上进一步结合工程实际拓展 了该互连传输线的应用 提出 分析了新型的微波低通滤波器结构 为课题组今 后从事进一步研究以及电路设计打下基础 关键词 系统芯片 信号串扰 电磁耦合 电磁干扰 低通滤波器 a b s t r a c t t l l i sd i s s e r t a t i o n s u p p o r t e db yt h es p e c i a l i z e dr e s e a r c hf u n df o rt h ed o c t o r a l p r o g r a mo fh i g h e re d u c a t i o na n db yt h ek e yp r o j e c to fc h i n e s em i n i s t r yo f e d u c a t i o n h a sm a d eas p e c i a l i z e da n a l y s i so ft h es u b s t r a t ee l e c t r o m a g n e t i c e m c o u p l i n gp r o b l e mi ns y s t e mo nc h i p s o t a n di t si n f l u e n c eo nt h ew o r kp e r f o r m a n c e o ft h es y s t e m t h ed i s s e r t a t i o nh a sa l s oi n t r o d u c e dt h ep r e s e n tm e t h o d st os u p p r e s s s u b s t r a t ee mc o u p l i n g a n db a s e do nt h i st or e a l i z et h ep u r p o s eo fd e c r e a s i n gs i g n a l c r o s s t a l ki ns o c i ni n t r o d u c t i o n t h ed i s s e r t a t i o nf o r m u l a t e st h eb a c k g r o u da n dp r o p e r t i e so fs o c t h ee x i s t i n ge l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e m c p r o b l e mo fs o c t h ed e v e l o p m e n t s k e t c ho f t h ee m c p r o j e c ti nt h ew o r l d w i d e a n dt h ea u t h o r se h i e f w o r k s e c t i o nt w oi n t r o d u c e ss o m eb a s i cc o n c e p t i o n sw h i c ha r er e l e v a n tt ot h er e s e a r c h o f t h ep r o j e c t s e c t i o nt h r e ep r e s e n t ss o m et r a n s m i s s i o nm o d e l so fs u b s t r a t ee mc o u p l i n gi n s o c a n dg i y e sat h e o r ya n a l y s i so ft h ec h a r a c t e ro fe a c hm o d e l w ea l s oi n t r o d u c e s o m em e a s u r e st os u p p r e s ss u b s t r a t ee m c o u p l i n gi nd e t a i li nt h i ss e c t i o n a n ds e c t i o nf o u rm a i n l yi n t r o d u c e st h ea u t h o r sw o r ko ft h ep r q i e c t t h ew o r k b a s i c a l l yi n c l u d e st w op a r t s i nt h ef i r s tp a r t w eh a v ed e s i g n e dah o v e li n t e r c o n n e c t t r a n s m i s s i o nl i n eo s f g c p w b a s e do nt h es t u d yo ft h ec h a r a c t e ro ft h ee m c o u p l i n gp r o b l e mi ns o ca n do ft h ep r e s e n ti s o l a t i o nm e a s u r e s a n dt h e o r ya n a l y s i s s h o w st l l a tt h en o v e l 仃a n s m i s s i o nl i n ei sw i t hb e u e rt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea n d l l i 曲e mi s o l a t i o np e r f o r m a n c e i nt h es e c o n dp a r t w em a k eaf u r t h e rd e v e l o p m e n to f p r e v i o u sw o r k c o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e san o v e l l o wp a s sf i l t e ra n dg i v e sa na n a l y s i so fi t t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h en o v e l f i l t e rc o m b i n e sb o t ho ft h ev i r t u e so fp s f g c p wt r a n s m i s s i o nl i n ea n ds i n u s o i d a l r e a c t a n c e1 0 a df i l t e r f u r t h e r m o r e t h ef i l t e ra l s oh a sg o o ds l o w w a v ee f f e c ta n dt h i s p r o p e r t yi su s e f u lf o rt h ed e s i g no f h i g h p e r f o r m a n c es l o w w a v ec o m p o n e n t b a s e do nt h ep a r t sm e n t i o n e da b o v e t h ed i s s e r t a t i o nh a sm a d eas u m m a r ya b o u t t h er e s e a r c hw o r ko f t h ep r o j e c t t h ec o n t r i b u t i o no ft h ed i s s e r t a t i o nl i e si n p r e s e n t i n gan o v e li n t e r c o n n e c t t r a n s m i s s i o nl i n ew i t hh i g hi s o l a t i o np e r f o r m a n c et os o l v et h es u b s t r a t ee mc o u p l i n g p r o b l e mi ns o c p r o p o s i n g a n a l y z i n g a n dd e s i g n i n gan o v e ll o wp a s sf i l t e rw h i c h s u i t st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t 1 1 ed i s s e r t a t i o np u t sab a s ef o rf u t u r er e s e a r c ha n d c i r c u i td e s i g nt oo u rp r o j e c tt e a m k e y w o r d s s y s t e mo nc h i p s o c s i g n a lc r o s s t a l k e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e e m i l o wp a s sf i l t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 签名 萎垒垒璺日期 护垆年抄月瑚 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或 扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 亳 叁盥导师签名 日期 护垆 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1 系统芯片的特点及应用 2 随着半导体技术的飞速发展 目前世界上最先进的半导体工艺进入到深亚微 米 0 1 3 0 0 9 微米 芯片集成度达到上千万数量级而芯片面积只有数平方厘米 市场上最快的c p u 奔腾4 的时钟频率达3 g h z 以软硬件协同设计 s o f t w a r e h a r d w a r e c o d e s i g n 具有知识产权的内核 i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y c o r e 复用和超深亚微米技术为支撑的系统集成芯片 s y s t e mo i lc h i p 是国际超大规 模集成电路 v l s i 的发展趋势和新世纪集成电路的主流 系统芯片是指在同一块芯片上将数字 模拟 射频乃至微波功能的电路高密 度 低成本地集成在一起 这样的芯片具有体积小 重量轻便于封装 并且由于 其在减少封装引脚和连线的同时减少了线间的耦合电容 从而降低了封装成本 减少了能量损耗 此外由于c m o s 工艺的发展使得系统芯片具有广泛的应用前 景 1 2 本课题研究的意义 由于在同一块芯片上高度集成了数字 模拟 射频乃至微波电路 以及芯片 系统工作频率的不断提高 使得系统芯片中同一介质基片上相互电路元件之间通 过基片产生了耦合 即为基片耦合 从而在系统芯片中产生信号串扰 该基片耦合 广泛存在各电路内部以及相互电路之间 它可以引起数字电路的时延 降低射频 电路的工作性能 同时在混合信号电路中还可以导致电路不能正常工作 从而对 信号完整性提出了挑战 1 因此要想抑制系统芯片中的信号串扰必须有效地抑制 基片耦合 如何实现具有良好电磁兼容性能的系统芯片对电路设计具有极其重要 的意义 目前国内外正在积极研究这一热点问题 本课题正是以系统芯片中的基片耦合问题为研究对象 研究如何采取适当措 施从而更好地抑制基片中的电磁耦合 这对于更好地实现芯片电磁兼容具有切实 重要的意义 1 3 本研究课题国内外概况 目前 国外关于如何减小基片耦合的众多文献报道中 所采取的主要途径是 电子科技大学硕士论文 通过适当改变介质基片的结构或者采用特定的电路结构以及加工工艺可以在一 定的频率范围内在一定的程度上抑制基片耦合 大多数方法还各自存在着一定的 局限性 主要体现在增加了加工成本 以及并不能收到很明显的抑制效果 对于 基片耦合的合理建模分析尚存在局限性 国内对于s o c 中抑制基片耦合的研究 还处于初始阶段 总之建立合理的抑制措施来抑制基片耦合尚有待于进一步研 究 本论文将在第三章详细介绍和分析目前存在的众多方法以及其各自的特点 1 4 课题简介 本课题来源为 1 教育部博士点基金 三维微波集成电路中互连及不连续性结构的知识人 工神经网络模型研究 2 教育部科学技术研究重点项目 具有良好电磁兼容特性的系统芯片全局 互连 封装拓扑结构研究 课题起止日期 2 0 0 4 2 0 0 6 年 课题负责人 王秉中 课题研究类型 应用基础研究 1 5 本课题所做主要工作 1 对系统芯片中的互连传输线的传输特性做了较为深入的研究 分析了该传输 效应对基片电磁耦合所产生的影响 2 有效实现了基片中传输线间的电磁耦合的抑制 在阅读相关文献的基础上 设计了一种新型的互连传输线 理论分析表明 在0 3 2 g h z 频率范围内 乃 至更宽 该传输线除了具有良好的传输效果外 还具有高性能的电磁屏蔽效 果 3 在广泛参阅大量参考文献的基础上 从电磁兼容角度对系统芯片中的滤波器 设计做了研究 4 在前面工作的基础上 进一步发展了所提出新型传输线的应用 设计了一种 新型的e m c 低通滤波器 该结构的滤波器结合了电磁屏蔽和高性能滤波器 两大优点 对作为系统芯片中的新型电路器件具有一定的实用价值 2 电子科技大学硕士论文 第二章基片电磁兼容和电磁耦合 2 1 概述 随着微波集成电路 i c s 工艺水平进入深亚微米 d s m 范围 集成化 小型化 高可靠是电子系统发展的一大趋势 近年来出现的系统芯片 s o c 就 是这一趋势的代表 从整体角度来考虑 在系统芯片中 往往同时存在r f i c m m i c 模拟i c 高速数字i c 将这些不同信号的i c 高密度地混合集成在一起 一个必需解决的问题就是芯片系统内部的电磁兼容问题 以一个典型的全球定位 系统 g p s 为例 其r f i c 部分的天线输入信号比数字i c 中的信号弱1 0 0 0 万 倍 极容易受到来自同一m c m 数字i c 的电磁干扰 使系统无法工作 考虑基片对系统芯片的影响 由于基片材料一般为半导体 s i 材料 这样 就会导致噪声电流能够在介质基片中得以传播 从而对电路其它元件产生影响 此外从电磁波的传播角度来考虑 系统芯片结构一般都能够支持表面波的传播 这就会导致噪声源有可能以表面波的形式在介质基片中传播 从而对系统中其它 电路元件发生电磁干扰 降低芯片模块的工作性能 因此 如何减少乃至消除这 些电磁干扰 对于我们是否能够更好地实现芯片系统的电磁兼容具有十分重要的 意义 鉴于本课题将要较多地涉及到基片电磁兼容和电磁耦合 因而本章将主要详 细介绍与电磁兼容相关的一些概念 并且对基片电磁耦合的形式加以研究和划 分 从而进一步了解课题研究的背景和任务 为下一步的研究打下基础 2 2 基片电磁兼容 本节将详细介绍电磁兼容 电磁干扰 以及与之相关的噪声 干扰 敏感度 等常见术语的定义 同时对目前存在的电磁兼容所采取的措施加以概况说明 1 电磁兼容定义 电磁兼容性 e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e m c 是指仪器设备在可能的电磁 干扰环境下仍然能正常工作的能力 由其定义可知电磁兼容包括两个方面即为 电磁干扰 e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e e m i 和 电磁忍受 e l e c t r o m a g n e t i c s u s c e p t i b i l i t y e m s 电路设计之初一定要考虑其电磁兼容性 否则在产品测试 阶段才发现问题 或许要花更高的代价和精力才能解决部分问题 有时候还可能 3 电子科技大学硕士论文 无法解决这些问题 一般说来 产品设计阶段能用的噪声抑制技术较测试阶段要 多 而生产阶段能用的噪声去除的费用最昂贵 测试阶段次之 而设计时花去的 去除噪声的费用最少 这些关系标于图2 1 中 从图中我们可以看出 能否在电 路设计阶段采取合理的措施实现电磁兼容对我们具有十分重要的意义 可用技术 相对 花费与解决干扰 问题的关系 设计阶段测试阶段 生产阶段 产品开发 时间轴 图2 1 产品开发过程中 越接近生产阶段 可用的噪声 抑制措施越少 而花费反而提高 噪声 n o i s e 可定义为电路中除所要的信号外的其他任何电气信号或能量 干扰 i n t e r f e r e n c e 可定义为噪声所导致的异常影响 如果噪声造成不必要的 结果 则称为干扰 通常噪声无法被去除 仅能将它减弱 使其无法产生干扰 敏感度 s u s c e p t i b i l i t y 是指元器件或电路对噪声的反应 也称为抗扰度 电路 或元器件的敏感程度是指设备还能正常工作的最恶劣的噪声环境 2 电磁干扰的基本概念 电磁干扰 又称为r f i r a d i of r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e 这是一种会对电子装置 造成不良影响的噪声 电磁干扰会发生作用 有3 个 要素 必须同时存在 这 包括一个电磁波的辐射源或是传导源和一个传输媒介以及一个或者多个以上的 受干扰电子装置 如图2 2 所示 如果其中任何一个要素不存在 干扰就不会发 生 所以抑制电磁干扰的方法有三个 一个是设法降低电磁辐射源或是传导源 二是中断传播媒介 三是增加受扰装置的抗扰能力 电磁干扰的传播媒介有两种 一种是以电流的形式经由导电媒质传导出去 另一种是以电磁波的或者导波的形 式辐射出去 4 电子科技大学硕士论文 图2 2 电磁干扰产生的三大要素 传导方式的电流又可分为共模传导电流和差模传导电流两种 若以电源装置 为例 所谓共模电流定义为在火线和中线上流经大小相等 方向相同的电流 而 差模电流则定义为在火线和中线上流经大小相等 方向相反的电流 辐射方式的 电磁波也可分为高阻抗的电场干扰源和低阻抗的磁场干扰源 如图2 3 所示 电磁干扰对受扰装置所造成的影响程度需视干扰源的强度 传播媒介 距离 耦合路径和受扰装置对电磁干扰的忍受能力而定 电磁干扰源与受扰装置之间的 耦合可以归纳为3 个途径 辐射 感应和传导 其中辐射发生于电磁干扰源与受 扰装置间的距离超过数个波长 我们又称为 远场 的环境 而 感应 是属 于 近场 的环境 电磁干扰源与受扰装置之间的距离不到一个波长 对于研究 电磁兼容的人来说 不管是近场或是远场 这两者统称为 辐射 e m i 这里我 们对近场与远场之间的分界以2 2 n 为参考点 当电磁干扰源与受扰装置之间的 距离小于2 1 2 n 时 我们定义为 近场 反之则视为 远场 环境 高阻抗的电场 干扰源 低阻抗的磁场 干扰源 图2 3 经由辐射放射出去的电场和磁场干扰源 5 电子科技大学硕士论文 3 电磁兼容所采取的措施 目前消除电磁干扰所采取的措施主要有以下几种 电路的屏蔽 接地技术 电路的平衡 滤波方式 隔离 电路的分离 电路阻抗的控制 利用电缆抑制噪声 在频域或时域上消除噪声的干扰 在论文的以下章节我们将对以上有关技术详细描述 2 3 基片电磁耦合 1 基片电磁耦合定义 由于在同一芯片上高度集成了数字 模拟 射频 乃至微波电路 以及芯片 系统的工作频率的不断提高 这就使得片上系统同一介质基片上相互电路元件之 间通过介质基片产生了耦合 我们定义这种耦合为基片电磁耦合 详细划分基片 电磁耦合的形式 可以得出以下三种具体的耦合形式 a 辐射电磁耦合 该辐射电磁耦合除了指由辐射源在基片中辐射所产生的电磁干扰外 还包括 由系统芯片特殊的导波结构所支持的表面波模式传输所产生的电磁干扰 b 传导电磁耦合 目前介质基片材料大多数为半导体材料 s i 半导体材料由于其特殊的导电 性 因而能够支持噪声电流在其中传输 当这些噪声电流与电路中的其它敏感元 件发生耦合时 也会产生电磁干扰 即为传导电磁干扰 c 感应电磁耦合 电子科技大学硕士论文 当基片上相邻电路元件之间的距离在近场范围内时 它们之间会存在感应的 电磁耦合 这种耦合具体又可分为电容性耦合和电感性耦合两种基本类型 对我 们系统芯片而言这两种类型也部分存在于基片中 因此我们也有必要加以考虑 本章主要详细介绍了电磁兼容和基片电磁耦合的相关概念 并且对目前存在 的抑制电磁干扰的措施做了简要说明 有关基片耦合产生的具体原理和抑制方法 的优缺点本文将在第三章加以详细描述 7 电子科技大学硕士论文 第三章基片电磁耦合通道模型及其抑制 3 1 概述 在第二章本论文对基片电磁耦合存在的主要形式进行了划分 并且对目前的 抑制措施做了介绍 本章将详细介绍在介质基片中存在的几种电磁耦合的通道模 型 以及针对这些通道模型采取的抑制措施及其各自的优缺点 由前面的介绍可知 在介质基片中存在传导干扰 感应耦合 以及电磁辐射 耦合 这些电磁耦合各自产生的原理和传播途径是不同的 这就要求我们在抑制 电磁耦合时要针对不同耦合产生的原理采取不同的措施 针对传导干扰我们要从如何尽量抑制基片中的噪声电流角度来考虑 针对感 应耦合我们要对电磁干扰源和受扰装置采取屏蔽措施 而针对电磁辐射耦合我们 就要考虑两个方面 由于这里的辐射除了指广义的电磁干扰源向外以电磁波的形 式辐射能量外 还包括由于介质基片自身特定的导波结构能够支持表面波的传播 所引起的电磁耦合 所以我们在考虑采取措施抑制辐射干扰时 除了要抑制电磁 波的直接辐射外 还要考虑采取合适的措施来抑制介质基片中表面波的传播 目 前抑制基片电磁耦合采取的措施主要有以下几种 1 在基片中采取屏蔽措旌 该屏蔽措施除了用来保护电路元件不受电磁辐射 外 还可以用来屏蔽噪声电流 2 在基片中引入p b g 结构来抑制基片中表面波的传播 3 在基片中引入接地技术来尽量减少噪声电流对电路元件的影响 4 在芯片系统设计过程中 将噪声源和敏感元件尽量做到空间上的隔离 从 而减少噪声源对电路工作性能的影响 5 在系统芯片电路设计中 采用滤波原理 也能够消除电路中的电磁噪声 从而在一定程度上缓和了基片电磁耦合情况 6 针对基片加工采取微加工工艺也能够抑制其中的噪声电流以及表面波的传 播 以上是针对基片电磁耦合所采取的主要措施 由于基片电磁耦合的形式是多 样的而且几乎是同时存在多种耦合形式 而以上措施往往只是在某一方面能够起 到较好的抑制作用 所以要想取得较为理想的抑制效果 我们就必须认真分析基 片中不同形式耦合的产生原理 并且在了解这些原理的基础上 综合采取多种措 施 8 电子科技大学硕士论文 3 2 基片电磁耦合通道模型 由概述部分的内容可知基片中的电磁耦合通道模型主要包括传导耦合的通 道模型 辐射耦合的通道模型以及近场感应耦合的通道模型 本节将对基片电磁 耦合在这些通道模型中产生的原理进行理论研究分析 从而为针对各自的通道模 型采取合理的抑制措施提供前提条件 3 2 1 基片传导电磁耦合 基片中传导干扰的定义为 当噪声电流 通常由高频电压信号注入介质基片 通过基片而与其它电路元件产生耦合 我们就说基片中存在了通过传导干扰产生 的耦合哪 其耦合分为三个过程 即a 基片电流注入过程b 噪声电流通过基片传 播过程c 1 电流通过基片与电路元件发生耦合过程 a 基片噪声电流的注入过程 基片中噪声电流主要是由数字信号模块以及输出缓冲器产生 1 具体有三种 类型 电流由电路中的高频电压信号通过与基片的电容性联系注入基片 注入途径 如图3 1 所示 p m o sn 麟h i t e i 口 1 鳅 图3 1 电流的电容性注入途径 9 电子科技大学硕士论文 1 如果介质基片上是金属层或者是与基片掺杂类型相同的材料 则它们与介质 基片之间存在着电阻性联系 在这种情况下 电压噪声直接在基片中产生电流并 影响衬底电压即在基片上产生了电压偏置0 1 2 在c m o s 场效应管漏极的末端注入离子化电流 在深亚微米工艺中当工作 频率大于十兆赫兹时 厂 i o m h z 基片中的这种注入方式可以忽略 1 b 噪声电流在基片中的传播过程 由于在s o c 中介质基片的常见结构是底层是掺杂程度较高硅衬底 上面是 一层很薄的低掺杂层即为e p i p 一 p 结构 这种结构中在工作频率小于1 0 0 吉 赫兹时口 1 0 0 g h z 由于上层低掺杂面的厚度远小于趋肤深度 因而可以忽略 当噪声电流在底层基片中传播时依据欧姆定律的微分形式 j 陋 j c o e e 3 1 可知此时可将其等效为电阻和电容元件 且随着工作频率和基片类型的不 同 基片的等效模型的主要表现形式也不同 文献 5 对该情况做了讨论 c 电流通过基片与电路元件发生耦合过程 随着电流通过基片传播 必然会导致基片中电压发生变化 当这种时变电 压通过体效应导致m o s 场效应管工作状态发生改变时 我们就说该噪声电流通 过传导干扰与电路元件发生了耦合 即存在了基片耦合 此外对于数字电路而言 由于噪声电流引起电路元件整体偏置的改变这会导致亚阈值电流的增加 从而对 数字信号的完整性提出挑战 1 该种形式的电磁耦合常常表现在混合信号集成电流系统中 m i c 数字i c 对 模拟i c 的干扰 在低速低频系统中 这种形式的电磁耦合占据主要地位 3 2 2 基片辐射电磁耦合 根据s o c 具体结构的不同 由电磁波所引起的辐射干扰在特定的结构中主 要表现形式为通过表面波模式在介质基片中的传播 因此必须了解s o c 中常见 的表面波通道模型 通常有以下几种模型 a 介质板波导 d i e l e c t r i cs l a bw a v e g u i d e 介质板波导又称介质薄膜波导 如图 3 2 所示 它一般由三层构成 介电 常数为唧厚度为d 的介质板处于介电常数为占 的包层和介电常数为占 的衬底 之间 通常占 占s 勺 若乓 s 为非对称型结构 着s 占 则为对称型结构 接地介质基片是对称型介质板波导 该结构能够支持t m 和t e 表面波 其截止频率分别为 0 电子科技大学硕士论文 洲刮篙棚 矗矿瓦荔隶赢 正批 州喀卑 占坩 2 捌 厅万i 瓦 c d 业 3 2 n 0 1 2 3 3 3 t o s c 5 f 0 x 图3 2 介质板波导中的表面波 在非对称介质板波导中 t e o 模的截至频率最低 为其主模 对于对称介质 板波导t e 和t m 模是简并的 其截止频率可以表示为 厶 3 4 厶2 面前露菰 主模t e o 和t m o 的截止频率为零 而对于接地介质基片由于接地板的存在 使主模只是t m o 而无t e o 模 b 介质基片上敷金属微带线 m e t a 卜in s u ia t o r s e m i c o n d u c t o r 图3 3m s 结构中的表面波 该结构微带线中除准t e m 模外 还可能出现表面波模和波导模 因此在高 频情况下 s o c 中微带传输结构也成为表面波的一种常见通道模型 该微带线 中的传输特性与工作频率 介质基片和微带线的形状材料等因素有关 文献 6 暮 电子科技大学硕士论文 对此s o c 中常见的微带线传输结构做了分析 提出随着频率与基片电导率等因 素的变化 微带线的传输特性发生变化 即出现了介质准t e m 模和表面波模式 c 介质基片上的共面波导 共面带状线 该结构共面波导具体结构又可分为两种 如图3 4 所示 图3 4 共面波导结构中的表面波 虽然共面波导能够支持准t e m 模的传播 但高频时其上完全为非t e m 模 因而需要用全波分析法求解 当信号线两边地线的宽度为无穷大时 a 结构 此 结构能支持的最低阶表面波模式是t m o 表面波模式 当信号线两边金属条带的 宽度是有限值时 b 结构 此结构能支持的最低阶表面波模式是t e o 表面波模式 文献 7 对共面波导中由表面波所产生的能量泄漏与共面波导不同结构以及频率 之间的关系做了分析 可见在高频情况下 不同的共面波导结构中由表面波引起 的能量泄漏可能会很严重 从而影响信号的传输性能 d 多层布线结构中的辐射干扰 在s o c 中常采用多层布线结构 在高频情况下此结构中电磁波同样会对信 号线的传输信能提出挑战 并且有可能会影响其它电路元件 从而影响s o c 的 整体工作性能 3 2 3 基片中的近场电磁感应耦合 近场感应耦合主要是指相邻很近p m2 n 的传输线以及模块之间通过电 磁感应产生的耦合 在近场区域内场的性质主要是感应场的性质 具体可以划分 2 电子科技大学硕士论文 为电容性感应祸合和电感性感应耦合两种类型 在互连传输线中 这种感应耦合 的作用效果是使互连线之间产生感应电容和电感 从而在相邻互连线间产生信号 串扰 在系统芯片中的多层布线情况下 同样存在此种形式的耦合 只是这种情 况下的感应电容和电感值与基片材料的性质有关 本节将主要以自由空间中的两 相邻传输线之间的感应耦合为例介绍电容耦合 电感耦合以及串扰的概念 1 两根传输线之间的电容性耦合 图3 5 为两导体间的电容性耦合模式 其中电容c 1 为导体1 与导体2 间的 分布电容 c 1 为导体1 与地间的电容量 c 2 则为导体2 与地间的电容量 电 阻r 为接于导体2 的总电阻 荠不包括电路的电阻 而q 为接于导体2 与地 问的电容和分布电容的总和 图3 5 两导体间的电容性干扰 c 1 图3 6 等效电路 3 电子科技大学硕士论文 图3 6 为其等效电路 若导体1 上的电压k 为干扰源 而导体2 为被干扰 的电路 则直接跨接于导体l 与地间的电容 因其不产生任何影响 响应可忽 略去不计 产生于导体2 及地间的噪声电压 可表示为 盟jco l q c o k 3 5 若r 为低阻抗的 且小于分布电容c 1 及c 2 之和 即 r 土 一 3 8 j c o c 1 2 c 2 6 巧 由此可知 导体2 与地间的噪声电压为c l 与c 2 g 的分压 而与噪声的频率无关 而且比低r 值时的结果大 图 3 7 为式 3 5 与 的关系图 由图 3 7 可看出最大的噪声干扰如式 3 9 所述 即实际的噪声电压总是小于或等于式 4 电子科技大学硕士论文 3 9 所给的值 1 c 图3 7电容性噪声干扰电压的频率响应 2 两根传输线之间的电感性耦合 两电路间的电感性噪声干扰的基本方程为 j c o b a c o s 0 3 1 0 其中 a 为封闭回路的面积 b 为频率 弧 秒的磁通密度 而 为感应电压的 均方根值 此关系亦能以两路间的互感m 表示 和崛圳象 3 i l 图 3 8 为式 3 1 1 所描述的电路间的电感性 磁场 噪声干扰 其中 为 干扰电路上的电流 m 为两电路间的互感量 与电路形状及电路间的介质磁性 有关 式 3 1 0 及式 3 1 1 中的0 9 表示干扰情况与频率成正比 要减少感 应到的噪声电压 则b a 或c o s 0 的值必须先降低 欲减少口的值 可利用加 大电路间的距离或将导线绞绕 使绞线产生的磁通密度b 能互相抵消 至于受扰 1 5 电子科技大学硕士论文 回路的面积 可将导线尽量置于接地面上 使其减至最小 这也是为什么在多层 电路结构中在不同层上存在很多个接地面的原因之一 c o s 的减小则可利用重 新安排干扰源与受干扰者的位置来实现 从上面的分析可以看出磁场与电场间的干扰有区别 第一 减小受干扰回路 的负载阻抗未必能使磁场干扰的情况改善 而对于电场干扰的情况 减小受干扰 电路的负载阻抗可以改善干扰的情况 第二 磁场干扰中 产生的噪声电压串联 于受干扰电路中 但电场干扰中 产生的噪声电压则并联于受干扰的电路中 土 争 图3 8 两导线间的电感性噪声干扰 电子科技大学硕士论文 3 两根传输线之间的串扰 本章3 3 节提及电容性的噪声干扰 现再将图 2 5 改绘于图 3 9 中 利用式 3 5 与式 3 6 推导方式可得 等 3 1 2 k 1 善乙 国c 1 2 式中 一角频率 c 1 2 一两导线间每米的平均分布电容 z 矿一导线2 受干扰者 的负载阻抗 包括z v l z 一导线长度 单位m 哺与巧一受干扰者与干扰者的信号电压 这两条导线问的祸合程度可定义为 c c t 2 0 l g v i n l g 2 g 及z v 2 3 1 3 c c t 的值也称为导线间的串扰 c c t 的值一定小于0 因为耦合并不具有任何放 大作用 同样对于电感性噪声干扰 也可以利用图 3 1 0 的模式定出串扰 等 t知 幽 瓦l 3 14 zvlz v 2j r o l 2 1k 2 式中 一角频率 z c 2 干扰者的负载 单位为q m 1 2 一两导线间的互感 单位为日 也一受干扰导线的自感 单位为日 z v l 一受干扰者的信号源阻抗 单位为q z v 2 受干扰者的负载阻抗 单位为q f 一导线长度 单位m 1 7 电子科技大学硕士论文 图3 9 位于接地面上的两条导线的电容性噪声干扰模式 按照式 3 1 3 串扰的定义 电感性串扰即为 c c 一0 l g 鲁 干扰噪声电压 3 1 5 将式 3 1 4 代入式 3 1 5 中 即可得到自由空间中两相邻互连线间的电感性 串扰 由文献 5 9 可知 串扰与互容的关系还可以用下面的形式表示 串扰 盟 3 1 6 其中毛为受扰线的特性阻抗 c 卅为互容 t 为输入到干扰线的入射电压的上升时间 同样对于互感有 串扰 生 z i 其中乏为干扰线的特性阻抗 8 3 1 7 电子科技大学硕士论文 k 为互感 为输入到干扰线的入射电压的上升时间 图3 1 0 两导线间电感性干扰的示意电路 上面的电容性干扰或电感性干扰都假设只有单一的干扰种类存在 而没有其 他的干扰发生 若要求得综合的串扰量 则需要分别求出各个串扰量 然后再找 出其综合的干扰效应 由图 3 1 1 可知导线上有电感存在 且电容性干扰也存 在于受干扰的导线上 同时 导线的电流方向会影响干扰的结果 而且要事先知 道受干扰者是否接近于干扰源 近端 还是位于干扰源的另一端 远端 若受 干扰者位于干扰源附近 近端 则电感性的干扰要叠加在电容性干扰上 若位 于远端 则电容性干扰要减去电感性干扰 即 近端 电容性串扰系数 电感性串扰系数 远端 电容性串扰系数一电感性串扰系数 以上以自由空间中两个相邻传输线为例介绍了电容耦合 电感耦合 以及串 扰的概念 在片上系统多层高密度布线情况下 同样存在该种形式的耦合 在这 种情况下的耦合还和介质基片的材料性质有关 因此抑制互连传输线之间的串扰 也是实现减小基片耦合的一个重要方面 电子科技大学硕士论文 图3 1 1 电容性及电感性串扰的综合影响 4 辐射干扰场区划分 根据电路元件的不同结构和工作频率的关系还可以将辐射干扰场区分为近 场感应耦合 远场辐射耦合和中区场耦合 近场感应耦合主要是指相邻很近pc 2 2 r c s o c 结构所支持的电磁波在介质基片中以场的形式在基片中传播辐射 从而引起电路 系统之间的电磁干扰 这种情况下即存在以电磁波形式直接辐射出去的耦合 又 包括由特定的导波结构所支持的表面波在芯片系统中所产生的电磁耦合 当两个电路系统之间的距离介于上面两种情况之间时 即r 旯 2 邢汁近 此时 既存在近场的感应耦合 又存在远场的辐射耦合 3 3 目前存在的抑制基片耦合的方法 由前面对辐射干扰场区的划分可知基片电磁耦合主要存在两种形式 即为 传导干扰和辐射干扰两种类型 因此 可以相应地将目前存在的抑制基片耦合的 方法根据基片耦合的不同形式分为两类 即抑制传导干扰和抑制辐射干扰 下面 就这两个方面分别加以论述 电子科技大学硕士论文 3 3 1 抑制辐射干扰 抑制辐射干扰根据场区的划分又可以分为抑制近场感应耦合和抑制远场辐 射耦合 1 抑制近场感应耦合 由前面3 2 节的分析可以看出 要抑制近场感应耦合就必须从抑制互容和互 感的角度来考虑 由式 3 1 6 可知要抑制互容所产生的串扰干扰 我们可以从 两方面着手 一是减少互容g 其做法是在两相邻的传输线中间加进屏蔽措施 例如在电路中采用有限地板的共面波导传输线 f i n i t eg r o u n dc o p l a n a rw a v e g u i d e 来取代微带线 从而减小互连线之间的耦合 文献 8 分析了采用f g c 传输线后 在不同布线结构下f g c 传输线在减小线间耦合方面相对于其它互连传输线的优 越性 但是这种方案是以牺牲了芯片的面积位代价的 理想的互连传输线应具有 的性质是在不增加成本的条件下能够取得更好的抑制耦合效果 图 3 1 2 表示 了在互连传输线间加装 个接地屏蔽通路可以改善互容的干扰 二是在时序规格 允许的情况下 增加转态较频繁的信号之上升时间 对于互感我们可以借助降低导线与接地平面之间的距离 来减少两导线间的 互感量 另外我们可以在电路布线过程中尽量减少平行布线 多采用垂直布线 交叉布线来减少电感耦合 图 3 1 3 表明通过采取垂直布线可以减少两个导线 间的电感耦合 以上是减少互连传输线间近场感应耦合常用的方法 除此之外还存在以下 几种途径 1 通过在耦合微带上覆盖一层电介质可以减小它们之间的远端串扰懈 文献 9 分析了耦合微带线远端串扰与微带线间的耦合系数之间的关系 并且在此基础上 提出了通过在耦合微带线上覆盖一层电介质能够有效地减小耦合微带线间地远 端耦合 2 适当减小导带下方基片介电常数来减小微带线间的串扰 文献 1 0 采用了无 源线上的串扰电压与耦合电容成正比的特性 通过适当减小导带下方基片的介电 常数来减小耦台电容 最终减小串扰电压 2 电子科技大学硕士论文 干 接地屏蔽通路 c 1 2 简化的集总元件近似法 扰通路 为求效果 该中间线路必须接地良好 并且要比干扰信号波长短 图3 1 2 加装一个接地屏蔽通路可以改善互容的干扰 最大耦台 图3 1 3垂直布线可以减少互感量 最小耦合 2 抑制远场辐射耦合 由3 2 节的分析可以看出s o c 的通常结构能够支持表面波模式 因而在基 片中存在通过表面波形式传播的辐射耦合 目前在s o c 中抑制基片中的远场辐 射耦合主要是在介质基片中如何采取一定的措施来抑制表面波的传播 主要有以 害王 i 一 rp 廿 广仝一 电子科技大学硕士论文 下几种抑制表面波的方法 1 利用p b g 材料来抑制表面波 这种方法通过在介质基片或者地板中周期性 加载 如在介质基片中周期性钻孔 如图a 或者运用刻蚀技术在地板上周期性 蚀孔 使在其中传播的表面波满足布拉格衍射的条件产生了带隙 从而在带隙内 实现了抑制表面波的效果 如图 3 1 4 所示为两种介质基片中周期加载的结构 图 a 图 b 图3 1 4 利用p b g 结构来抑制表面波 但是这种方法存在以下几种缺陷 i 虽然这种结构能够在一定的频率范围内实现带隙 但是对于给定的频率在全 方向上实现带隙比较困难 阻二维平面周期加载为例 假设对于给定的频率厂表 面波在一定的方向0 o 0 4 5 上满足布拉格衍射条件庳c o s 0 万 当p 增大 时 布拉格条件只有在口比较大的情况下才能满足 即为随着方向角口的改变在 该方向上的口也必须改变才能满足布拉格衍射条件 所以除非带隙非常宽 而且 介质基片是各向异性的 才能对给定的频率实现全方向上的表面波抑制 文献 1 1 对此原因做了分析 i i 即使利用周期加载的谐振性质 通过在介质基片中周期性加载金属材料在 全方向产生带隙 如图b 从而实现全方向上的表面波抑制 但是在此带隙中存 在着衰减常数很小且向空间传播的漏波 从而对电路中的能量产生很大的损耗并 且会引起信号串扰 文献 1 2 对在此金属周期加载结构中的表面波以及漏波性质 做了分析 指出此结构漏波可能产生的不利影响 所以在用p b g 结构产生波带 隙以减小电路能量损耗和各元件之间的信号串扰的同时还需要考虑在该波带隙 中的漏波的影响 要能够在表面波带隙中消除漏波模式 从而实现真正意义上的 波带隙 文献 1 3 分析了平面周期金属贴片加载的接地介质基片中表面波和漏 电子科技大学硕士论文 波的传输特性 指出了漏波对电路的不利影响 同时该文献还讨论了在该结构中 如何才能够在全方向上实现真正意义上的波带隙 针对该结构的设计提出