基于电磁带隙结构的高速混合信号电路板噪声抑制

申才立陈瑞明王栋徐霄苏浩航



基于电磁带隙结构的高速混合信号电路板噪声抑制

申才立陈瑞明王栋徐霄苏浩航

（北京空间机电研究所，北京 100094）

针对空间遥感相机发展特点以及高速混合信号集成电路的发展趋势，如何抑制电路板上的噪声成为目前研究的一个重要方向。文章在分析传统的去耦电容降噪方法和最新的电磁带隙结构降噪原理的基础上，提出了一种新型的电磁带隙结构来抑制电路板上的噪声；通过对该电磁带隙结构的仿真，得出此结构能够在一定程度上降低电路板上的噪声；在此基础上，文章更进一步设计了基于该电磁带隙结构的应用电路板进行实验验证；通过对电路板上测量的噪声数据对比分析，验证了该结构降噪的有效性，其中噪声的均方根值平均降低幅度为27.96%；最后针对一款实际应用的CCD相机成像电路板，通过对比测量成像后图像信噪比数据，得出使用该新型电磁带隙结构时，CCD成像的信噪比有了一定程度的提高，为电磁带隙结构在空间遥感相机电路等其他工程上的应用提供了实验参考。

混合信号 高速电路 电路板 电磁带隙 噪声 空间遥感相机

0 引言

随着高分辨率成像技术的发展，现代遥感相机的成像电路越来越复杂，并出现向高集成度和高速方向发展的新特点。为了实现这些技术要求，电路板上需要集成越来越多的晶体管，电路板上不同的电路部分也需要不同的电源供电，如核心电路的电源、输入输出接口电路的电源、内部时钟的电源等，这些都需要电路板上的电源分配网络来提供。而随着电路板上各种功能的电路同时工作或者时钟高速转换时，不可避免地在电路板的供电电源中产生含丰富高频分量的纹波干扰，从而产生电源噪声。再加上电路板上供电电压也越来越低，例如由以前的5V供电向1V甚至更低电压供电发展，这样电路板上噪声就成为一种不可忽略的问题[1]。如何使电路板供电电源稳定，即尽可能的降低电路板上电源分配系统的噪声，成为现在一个重点的研究方向。

由于电路板上的电源纹波噪声是工程上经常遇到的问题，其中同步开关噪声（simultaneous switching noise, SSN）是制约PCB性能指标的一个重要因素[2]。由于电源的输出端到芯片存在着阻抗，从等效集总电路的角度来看，其阻抗可以等效为集中分布的电阻和电感元器件。当多个驱动门电路同时打开，或者时钟同时翻转时，就会有很大的电流在这些路径中流动。这些瞬间的电流涌入这些感性元件时，会在其上产生感应电动势，形成电压降，从而引起同步开关噪声[3-6]。这些同步开关噪声会影响信号质量（quality，全文同）和时序，从而导致数字电路误采样。尤其是在混合信号处理电路中，同步开关噪声容易在电源/地平面所构成的平行板波导中传播，使得这些噪声耦合到模拟信号处理电路中，严重降低了信号的质量[7]。而对应到相机成像电路中，就会导致图像信噪比急剧下降，对CCD成像质量造成很大影响。

为了有效抑制同步开关噪声的传播，目前工程上常用的方法是添加去耦电容。它为电流环路提供了低阻抗的本地通路，从而能够抑制同步开关噪声。但是，使用去耦电容抑制同步开关噪声的频率范围比较有限，一般情况下，它只对低频段有一定的效果[8]。针对这种情况，一些学者提出了一种电磁带隙（electromagnetic band-gap, EBG）的方法来抑制同步开关噪声[9-12]。由于EBG结构抑制带宽较宽以及其在高频段效果显著，近年来，用该结构抑制电源平面上SSN的传播成为重要的研究课题。本文提出一种适用于在高速电路中有效抑制SSN的新型EBG结构，并使用仿真软件对该EBG结构的特性进行了分析。然后结合应用电路对其工程应用性做了一定的实验研究。

1 EBG结构介绍及新型EBG模型设计

1.1 EBG结构介绍

EBG结构首先是由Sievenpiper提出，用于抑制天线的表面波[13-15]。这种结构在电源平面或地平面上蚀刻周期性的基本单元，每个基本单元主要由分支和小块两部分组成。EBG结构利用自身的谐振特性能够抑制噪声在电路板中的传播，从而有效的抑制SSN。图1所示为一种典型平面EBG结构的基本单元[16]，其电磁特性可以采用等效电感和等效电容来描述，这样周期性的EBG结构就可以等效为集总参数的LC网络。在EBG结构的频率带隙范围内，其带隙频率相当于等效的LC网络谐振频率。EBG结构的带隙起始截止频率0和带宽W可以表示为[17]：

式中0为带隙起始截止频率；W为带宽；为等效电感；为等效电容；为自由空间的波阻抗，=120π。

图1 典型平面EBG结构的基本单元

1.2 新型EBG结构模型设计

结合EBG结构的发展和分析可知，最关键的是EBG结构基本单元模型的建立。在EBG结构基本单元模型中，最主要的两个参数是带隙起始截止频率0和带宽W。而目前典型的EBG结构降噪带隙带宽小于7GHz，而且起始截止频率也较高，达到2.8GHz[18]。这与目前空间遥感相机电路中工作频率状况不符合。为了进一步提高EBG结构降噪的特性以及实用性，本文对式（1）、（2）中两个主要参数进行了分析。

首先，若要提高降噪效果，可以选择增大EBG结构基本单元的尺寸，这样就可以使计算公式中的和都增大。但是由于在实际工程应用中PCB本身尺寸的限制，基本单元的尺寸不可能太大；而且如果基本单元尺寸增大的话，在PCB上能布置的EBG基本单元数量就会减少，就不能构成有效的集总参数LC网络，从而不能达到很好的降噪效果。因此应尽量保持EBG结构基本单元尺寸不要太大，本文在分析了相关文献[4-12]以及进行了多次仿真验证后，选择了基本单元的尺寸为15mm×15mm。

其次，在一定的EBG结构基本单元尺寸的基础上，若使带隙起始截止频率0降低，从式（1）中可知：在保持等效电容不变时，可以采用增大等效电感的方法；在保持等效电感不变时，可以采用增大等效电容的方法。而若使带隙的带宽W增大，从式（2）可知：在保持等效电容不变时，可以采用增大等效电感的方法；在保持等效电感不变时，可以采用减小等效电容的方法。综上分析，若采用改变等效电容的方法，则会使降低带隙起始截止频率0与增大带隙的带宽W产生矛盾。而采用增大等效电感的方法，则可以同时达到这两种目的。因此，本文在选定EBG结构基本单元尺寸的基础上，尽量保证基本单元的等效电容，然后尽可能大的增加分支结构，以增加等效电感，从而达到提高降噪效果的目的。

根据上述设计思想，本文在典型平面EBG结构的基础上进行改进，设计出新型的EBG结构模型，其基本单元结构如图2所示。其中基本单元大小为15mm×15mm，桥接连线的线宽为0.2mm，缝隙为0.2mm，4个小块的大小均为5.1mm×5.1mm。

图2 新型平面EBG结构基本单元

2 仿真验证

2.1 频域仿真验证

根据图2所示的新型EBG结构基本单元模型，本文建立了一个3×3单元的两层PCB模型（见图3）。模型的尺寸为45mm×45mm，厚度为0.27mm。其中电源层和地层的厚度均为0.035mm，中间填充厚度为0.2mm、介电常数为4.4的FR4介质。为了保持良好的信号完整性，在设计中优先保证地平面层的连续，因此本文把EBG结构嵌入电源平面[19]。

图3 新型平面型EBG结构模型示意

为了验证该模型的频域特性，本文在模型上添加了两个50Ω的集总型同轴端口，它们的位置分别为port1：（–18.75mm，–18.75mm），port2（18.75mm，18.75mm）。其中，坐标原点为PCB平面的中心，port1为输入端口，port2为输出端口。本文以参数（又称为散射参数，其中11表示反射参数，21表示透射参数）作为衡量该模型频域特性的指标，它是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一个端口的信号来描述电路网络。采用ANSYS公司的HFSS软件对模型进行仿真，仿真结果如图4所示。从新型EBG结构的参数（21）曲线可以看出，参数为–30dB时，阻带范围为0.7~2.3GHz和3.0~10GHz，带宽达到8.6GHz。与传统EBG结构相比，该结构能够实现降噪效果的提升。

图4 新型EBG结构S参数（S21）特性曲线

2.2 时域仿真

由上面的频域范围内的仿真结果可知，本文提出的新型EBG结构模型在起始截止频率和抑制带宽上都有很好的效果。为了更全面的分析该EBG结构模型的特性，以便在工程上进行使用，本文又在时域中对所提出的结构进行同步开关噪声抑制效果仿真对比。首先通过HFSS软件对新型EBG结构及无EBG结构的对比参考模型提取出参数；然后用其提取值在仿真软件ADS中进行时域仿真分析。在电源平面的port1：（–18.75mm，–18.75mm），输入高速数字信号，在port2（18.75mm，18.75mm），观测由高速数字信号所产生的同步开关噪声的情况。

根据工程用电路板的实际参数，在port1端输入脉冲宽度为6.25ns，周期为12.5ns，上升沿和下降沿均为0.2ns，最大幅度为3.3V的单极性数字信号。仿真结果如图5所示。

（a）输入端的脉冲信号 （b）经过参数模型后的波形

（a）Pulse signal of input point （b）The wave form after-parameter

图5 新型EBG结构与参考平面时域仿真SSN抑制对比

Fig.5 The comparison between the new EBG structure and reference plane

从图5的仿真结果对比中可以看出，经过无EBG结构参考模型的噪声峰峰值为4mV，经过EBG结构的噪声峰峰值为2.5mV。经计算可知，新型EBG结构能够抑制掉37.5%的同步开关噪声，从而提高了电路板的降噪性能。

3 实验测试与验证

在上述建模、仿真的基础上，本文结合实际工程应用电路，设计了加入该新型EBG结构的电路板来进行实验测试。该PCB的尺寸为350mm×250mm，厚度为2mm。

该电路板为14层，其中，第2、4、7、11和13层为地层，除去顶层和底层外的其它层铺设电源层和信号层。本文把EBG结构嵌入在电源层上，即在第3、5、6、9、10和12层铺设EBG结构。

在铺设EBG结构时，由于部分区域过孔太多，有可能对EBG结构基本单元本身造成很大破坏，从而起不到降低电路板噪声的作用。所以，在布局EBG结构基本单元时，既要充分考虑器件和过孔位置等因素的影响，又要在不破坏EBG结构特性的基础上，根据基本单元所在区域的特点对其进行细节性的微调。综上可知，EBG结构抑制噪声的起始截止频率和抑制带宽与基本单元的电感和电容有关。所以，虽然改变了基本单元的部分布局，但整体上仍满足等效集总LC电路结构，对整体降噪效果的影响较小。

对该PCB进行制板、调试后进行电路板上噪声的测量。在工程上，测量时一般用均方根值（RMS）来表示，有时也可以用峰峰值（p-p）表示[1]。

为了方便对比分析，本文在测量时采集了电路板上多个不同位置的噪声数据进行验证。其中测量点1~18基本覆盖了噪声源端、噪声敏感区域等区域，并涵盖了数字区和模拟区，以及测试范围内的所有电源电压，能完整反映该PCB板的噪声情况。

通过多次测量对比分析后，选定了合适的带宽和探头的示波器进行测量。并且在同样的条件下分别测量两块电路板，即加入EBG结构的电路板和没有加入EBG结构的参考电路板，并分别采集纹波噪声的时域和频域数据进行分析。

3.1 时域范围内测量

合理设置示波器的参数，在相同的测量设置与条件下，对电路板上选取的噪声测量点进行对比测量。分别测量两块电路板上噪声的均方根值，其中部分测量结果如表1所示。从测量结果可以看出，噪声的幅值范围为20~45mV。对比两块电路板，噪声降低约7~12mV。具体的噪声降低幅度以及降低比率如表1所示。从表1中可以看出，采用EBG结构后，纹波噪声的均方根值都有所降低，其平均降低幅度约为27.96%。

表1 电路板各测试点处噪声均方根值（RMS）对比

Tab.1 The comparative Root Mean Square(RMS) of the PCB noise at some test-points

图6为测量点16加入EBG结构前后的噪声对比。图中绿色曲线（上部）为时域波形图，黄色曲线（下部）为频域响应曲线。从测量结果可以看出，加入EBG结构后噪声均方根值降低了10.3mV，约降低26.96%。采用峰—峰值作为衡量依据时，可以看出参考板的峰—峰值为207.4mV，而采用EBG结构的电路板的峰—峰值为168.4mV。可见，加入EBG结构后，峰—峰值降低了39mV，约降低18.8%。验证了采用EBG结构能够较好地抑制电路板的噪声。

（a）未加入EBG结构的电路噪声波形幅值 （b）加入EBG结构电路噪声波形幅值

（a）The amplitude of noise waveform without EBG （b）The amplitude of noise waveform with EBG

图6 测量点16的噪声均方根值对比

Fig.6 The comparison diagram of noise RMS in measured point 16

3.2 频域范围内测量

为了更深入的了解该EBG结构的降噪性能，本文对其频域特性进行了测量分析。在时域分析的基础上，通过傅里叶变换（FFT）得到噪声频谱图，从而观察其频域特性。

由于测量方法中不可避免的会引入测量误差，而且本文所测量的噪声在高频段非常微小，很容易淹没在测量本身引起的噪声中。为了提高测量结果的可信度与可靠性，这里选取中、低频段的噪声进行分析；再根据频域仿真的降噪范围，主要分析2GHz以下的噪声频谱。图7为测量点15的噪声频谱的对比。图中上部（黄色）曲线是未加入EBG结构的电路板的噪声频谱，下部（绿色）曲线是加入EBG结构的电路板噪声频谱。对比发现，测量点15在960MHz~1GHz，1.22~1.45GHz以及1.74GHz附近的频段内能看出明显的降噪效果，效果较优的可以达到降低10dB的效果；降噪效果明显的区域分别用红圈进行了具体标示。对700MHz~2GHz频段内频谱图进行分析可以初步得出，加入EBG结构，能够降低一定范围内的频域幅值。

图7 测量点15的噪声频谱对比

根据电路板本身时钟的特点，其工作的主时钟频率是80MHz。该主时钟频率会以电磁波的形式在电路板内传播，成为电路板的一个主要噪声源。因此本文对频谱在80MHz处的降噪效果进行了分析。

表2列出了在80MHz处部分测量点的噪声抑制效果对比。从表2中可以看出，对于此主要噪声源，采用EBG结构后，可以降噪约5~14dB，噪声平均抑制程度可以达到46%。表明该EBG结构对电路板有一定的降噪效果。

表2 各测量点在80MHz处噪声抑制对比

Tab.2 The comparative noise suppression of some test-points in 80MHz

综上可知，采用EBG结构的电路板相对于参考板来说，在时域和频域两个测量角度都取得了良好的降噪效果。

3.3 CCD相机成像电路降噪应用实例

由前文的测量结果可以看出，采用EBG结构的电路板能够有效降低电路中的噪声。在此基础上，把该EBG结构应用于CCD相机的成像电路中，以验证其在工程实际应用电路中的降噪效果。

工程上常用图像信噪比来衡量CCD相机的成像质量。为了方便两块电路板对比，本文在测量过程中测量了从完全无光到饱和光照的整个范围内一系列离散点，经MATLAB处理，获得不同图像DN值对应的信噪比，并绘制出图像DN值与信噪比的散点图，然后对散点图进行曲线拟合，从而比较出信噪比变化。在同样的光照和测量条件下，选取CCD相机的16个输出通道进行数据测量，并对数据进行对比分析。

图8为其中一个通道的信噪比对比曲线，从图中看出，采用EBG结构后能够在一定程度上提高CCD成像信噪比，平均能提高约1dB。

图8 CCD成像信噪比对比

以CCD相机的通道2、11和14为例，选取1 000、3 000和4 500三个典型的图像DN值及两块电路板分别对应的图像信噪比进行对比分析，结果如表3所示。

表3 典型图像DN值对应的图像信噪比对比

Tab.3 The comparative imaging Signal-to-Noise-Ratio (SNR) in typical image digital numbers(DN)

从表3中可以看出，在三个典型图像DN值下，采用EBG结构的电路板上信噪比都得到了一定程度的提升，其中效果较好的可以提高1.36dB。

综上测量分析结果，采用本文所设计的EBG结构，能够有效降低CCD相机成像电路的噪声，从而提高图像的信噪比。文中的设计及相关实验结果可为工程实践中提高CCD相机的成像质量提供一定参考。

4 结束语

在传统的去耦电容降低电路噪声的方法之外，近年来出现的EBG方法可以降低电路噪声，但多数只停留在仿真分析的阶段。在此基础上，本文提出了一种新型的EBG结构来抑制电路板上的噪声，并在仿真分析的基础上，进行了目前国内为数不多的工程实际用电路板的对比测量验证。从时域和频域两个角度进行分析，证明了采用该新型EBG结构能够有效地抑制电路板上的噪声。至于该新型EBG结构对信号线的信号质量产生的影响，根据文献[10-12]的研究可以发现，采用差分线进行数据传输可较好的解决信号完整性问题。最后，本文通过CCD相机成像电路的实际测试，验证了EBG降噪方法可以有效地提高CCD相机的成像品质。

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Noise Suppression in High-speed Mixed-signal PCB Using Electromagnetic Band-gap

SHEN Caili CHEN Ruiming WANG Dong XU Xiao SU Haohang

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Considering the development trends of space remote sensing camera and integrated circuit, the noise suppression in PCBs becomes a topical research theme. According to the traditional decoupling capacitor method and the electromagnetic band-gap (EBG) principles applied to circuit noise suppression, a novel EBG structure is proposed in this paper. With simulations of the EBG structure, the testing results show that the structure can restrain circuit noise obviously. Therefore, a prototype PCB was manufactured with design of the EBG structure, with which the measurement was implemented. And the RMS of the circuit noise has a reduction of 27.96%. By analyzing the contrast data, the validity of the noise suppression using this EBG structure is proved. Furthermore, based on an applied PCB in CCD camera imaging circuits, the PCB with EBG structure has better performance by comparison with the image SNR DATA, thereby the EBG structure can be applied in such engineering as space remote sensing camera integrated circuit.

mixed-signal; high-speed circuits; printed circuit boards(PCB); electromagnetic band-gap(EBG); noise; space remote sensing camera

（编辑：夏淑密）

TN402

A

1009-8518(2016)03-0065-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.03.008

申才立，男，1988年生，2015年获中国空间技术研究院飞行器设计专业硕士学位。目前研究方向为电子信息与技术。E-mail：357370654@qq.com。

2016-02-14