专利名称：由外部耦合电阻性终结器降低功率分配系统中的开关噪声的方法
技术领域：
本发明涉及一种功率分配系统。本发明具体涉及一种由外部耦合电阻性终结器降低功率分配系统中的开关噪声的方法。
背景技术：
精确地控制时序歪斜(Timing Skew)是高速数字信号处理中的主要挑战之一。在造成时序歪斜的各种原因之中，功率完整性近来已经成为主要的参考量，特别是在需要高通量与低电压摆动的情况下。开关噪声是功率分配系统中的主要噪声来源。此种噪声的最小化将有益于整体的功率完整性。
当I/O缓冲器进行开关动作时，其不仅会在非常短的时间内从功率分配系统汲取能量，并且也会引发宽频带噪声发生于功率分配系统中。当多重信号于同一时间切换时，噪声程度会更加恶化，一般称之为同时开关噪声。此类同时开关噪声基本上互为同相位或接近同相位，因而其噪声振幅可彼此累积而非相互抵销。倘若设计不当，则功率分配系统的功率/接地平面会形成一共振器，使得频率较接近某一特定共振频率的噪声储存累积起来，对功率完整性造成更严重的问题。
用以抑制噪声的最普遍且最被接收的解决方法是放置解耦合电容于功率分配系统上。然而，用来连接解耦合电容与功率分配系统的配线产生等效串联电感，限制了高频范围的可能应用。
另一种解决方法为降低共振效应。既然噪声在共振时变得更激烈，故此方法可有效地减缓噪声累积。从而将共振频率调离操作频率或增加更多损耗以降低功率分配系统的品质因子可避免共振效应对噪声的影响。举例而言，噪声吸收材料设置于电路板的边缘以有效地使因边界不连续所造成的反射与辐射最小化，特别是高频领域。此方法一般称为“边界终结”。至今已经提议有两类型的噪声吸收材料，亦即电性损耗材料与磁性损耗材料。然而，在电性损耗材料的情况中会引发不期望的漏电流，而在磁性损耗材料的情况中则因为缺乏适当的磁性损耗材料所以无法达成宽频带吸收。
发明内容
为了克服现有技术的不足之处，本发明的一目的在于提供一种由外部耦合电阻性终结器降低功率分配系统中的开关噪声的方法。
依据本发明的一实施方案，提供一种功率分配系统中的开关噪声的降低方法，用以耦合该开关噪声使之离开该功率分配系统而转变成消耗的热。开关噪声从该功率分配系统的共振器耦合出来且终结于外部耦合电阻性终结器。外部耦合电阻性终结器最好安装于相对高的噪声变动发生的位置处。每一外部耦合电阻性终结器得由一电阻、一端具有一电阻的一传输线、一端为开路的一损耗性传输线、四分之一波长的一损耗性传输线、或前述各种实施方案的组合所形成。
举例而言，本说明书以Y形微带共振器作为例子加以探究。Y形微带共振器具有一中央杆部与两个翅部，该两个翅部连接于该中央杆部的一端。为了探究功率分配系统的频率响应，最好采用电压控制电阻器缓冲器模型，用以仿真每一个I/O缓冲器。仿真结果指示出在共振频率处最大电压变动从750mV抑制成150mV，并且对于整个操作频率范围而言噪声抑制率约为50％。
依据本发明的方法有助于降低功率分配系统的开关噪声，应该并入于电路设计参考量因素中。虽然在本说明书中仅阐述Y形微带共振器，但本发明可应用于更复杂的功率/接地布局中。
附图的说明
图1显示功率分配系统结构的一例子的透视图。
图2显示图1的Y形微带共振器的平面图。
图3a与3b显示Y形微带共振器的首先两个共振模式的电场分布。
图4a与4b分别显示对于具有配置于Rt1至Rt4不同位置处的外部耦合电阻性终结器的Y形微带共振器在测量点P1与P2处所测得的反射系数。
图5a与5b分别显示在单一I/O缓冲器D0与多重I/O缓冲器D0至D4的情况中在图2的测量点P1处所测得的最大电压变动。
图6a与6b分别显示在单一I/O缓冲器D0与多重I/O缓冲器D0至D4的情况中在图2的测量点P2处所测得的最大电压变动。
图7a与7b分别显示在图2的测量点P2处所测得的最大电压变动。
组件符号说明10功率分配系统11第一接地面12第二接地面13Y形微带共振器14第一信号线平面15第二信号线平面16绝缘材料D0至D4I/O缓冲器E1至E4外部耦合电阻性终结器P1与P2测量点具体实施方式
下文中的说明与附图将使本发明的前述与其它目的、特征、与优点更明显。
现参照附图详细说明依据本发明的优选实施例。
功率分配系统的功率/接地平面布局一般具有多样性与可调整性。从其中提取出若干上位特征以归纳出布局工程师可运用的实际指引规则将是有益的。下文中，采用一Y型微带共振器作为功率平面的一部分，用以阐述依据本发明的开关噪声的降低方法。
图1显示功率分配系统10的结构的一例子的透视图。参照图1，功率分配系统10包括一第一接地面11、一第二接地面12、以及一Y形微带共振器13。第二接地面12与Y形微带共振器13位于一共同水平面上且彼此电绝缘。第一接地面11与Y形微带共振器13相隔44mil的距离。第一与第二接地面11与12用以提供电压接地面，而Y形微带共振器13连接于外部电源供应器(未示出)，用以分配功率至整个功率分配系统。第一与第二接地面11与12以及Y形微带共振器13得由铜或其它导电材料所形成。第一与第二接地面11与12中之每一个都具有1.4mil的厚度，而Y形微带共振器13也具有1.4mil的厚度。
一第一信号线平面14配置于第一接地面11下方，相隔4mil的距离。第一信号线平面14上要设有由铜或其它导电材料所形成的多条信号线(未示出)。类似地，一第二信号线平面15配置于第二接地面12与Y形微带共振器13所处的共同水平面上方，相隔4mil的距离。第二信号线平面15上要设有由铜或其它导电材料所形成的多条信号线(未示出)。
为了提供必需的电绝缘，一绝缘材料16插入于第一接地面11以及第二接地面12与Y形微带共振器13所处的共同水平面间的空间、第一接地面11与第一信号线平面14间的空间、以及第二接地面12与Y形微带共振器13所处的共同水平面以及第二信号线平面15间的空间。举例而言，绝缘材料16得由环氧树脂纤维玻璃(epoxy-resin-fiberglass，FR4)或介电材料所形成。第一与第二信号线平面14与15上的信号线要穿过绝缘材料16的导电通孔(未示出)而连接于第一与第二接地面11与12或Y形微带共振器13。
图2显示图1的Y形微带共振器13的平面图。参照图2，Y形微带共振器13的每一转折点处皆标记有一组数字，分别表示对应的纵坐标与横坐标且具有mm的单位。I/O缓冲器的位置标记为符号D0至D4。测量点的位置标记为符号P1至P4。依据本发明的外部耦合电阻性终结器的位置标记为符号E1至E4。外部耦合电阻性终结器E1至E4中的每一个得由一电阻、一端具有一电阻的一传输线、一端为开路的一损耗性传输线、四分之一波长的一损耗性传输线、或前述各种实施例的组合所形成。为了不对功率分配系统10造成干扰，Y形微带共振器13的电压变动(或噪声)由高阻抗探针加以测量。I/O缓冲器D0至D4中的每一个皆沿着第二信号线平面15的信号线驱动输出信号，且使用第二接地面12作为电位参考平面。同样地，外部耦合电阻性终结器E1至E4中的每一个引导由于I/O缓冲器D0至D4进行开关所造成的电压变动(或噪声)离开功率分配系统10从而终结电压变动。为了避免多重反射的影响，所有信号线皆被适当地终结。
为了探究功率分配系统10的频率响应，最好使用电压控制电阻器(voltage control resistor，VCR)缓冲器模型来仿真I/O缓冲器D0至D4中的每一个。线性(或线段性)VCR缓冲器模型的阻抗值在开关期间变动且取决于操作信号的电压。在下列所述的仿真中，用以供应至I/O缓冲器D0至D4中的每一个操作信号具有梯形波形且上升/下降时间皆为200ps。无论操作信号的频率如何，操作信号的上升/下降时间皆维持于200ps。既然用以供应至I/O缓冲器D0至D4中的每一个的操作信号并非正弦波，故操作信号的频率范围涵盖了与频带宽度关联的操作信号的上升/下降时间的若干谐波。
共振系统的品质因子指示共振效应的强度与所影响的频带宽度。降低品质因子可有效地减缓共振效应。共振系统的品质因子反比于共振系统的功率消耗。共振系统的未负载的品质因子QU可表示如下QU=2ωWePd+Pc...(1)]]>其中ω为共振频率、We为总电场能量、且Pd与Pc分别为介电质功率损耗与导体功率损耗。对于数百MHz的共振频率而言，主要的损耗机制为导体损耗。然而，此种本质性损耗并不足够用来获得足够低的品质因子。因而必须提供额外的损耗机制。所期望的额外的损耗机制可由适当地放置多个外部耦合电阻性终结器于功率分配系统中而达到。结果，负载的品质因子QL变成QL=2ωWePd+Pc+Pe=(Pd+PcPd+Pc+Pe)QU...(2)]]>其中Pe为外部功率损耗。
图3a与3b显示Y形微带共振器13的首先两个共振模式的电场图案。应注意图3a与3b的仿真结果是从仅由功率平面与接地平面所组成的裸板形态所获得的。在图3a中，具有1.632GHz的最低共振频率的基频模式具有电场最大值于中央杆部，并且两翅部的电场一直以彼此同相位的方式变化。然而，对于图3b所示的共振频率为2.347GHz的第一高阶模式而言，两翅部的电场变化则完全逆相位，导致中央杆部处的电场抵消。此独特的电场分布将在图4a与4b中进行更深入的探讨。
图4a与4b显示具有配置于不同位置Rt1至Rt4处的外部耦合电阻性终结器的Y形微带共振器13的反射系数。当对测量点P1测量时，因为测量点P1处的电场为零，故无法观察到第一高阶模式，如图4a所示。相反地，当对测量点P2测量时，基频模式与第一高阶模式都可观察到，如图4b所示。从图4a与4b的反射系数可轻易获得Y形微带共振器13的品质因子。依据图4a与4b，对于基频模式而言，不具有任何外部耦合电阻性终结器Rt1至Rt4的Y形微带共振器13具有最高的品质因子(Q＝30)，而具有所有外部耦合电阻性终结器Rt1至Rt4的Y形微带共振器13则具有最低的品质因子(Q＝5)。
在基频模式的噪声图案的情况中，外部耦合电阻性终结器Rt1、Rt2、与Rt3配置于电场最大值处，而外部耦合电阻性终结器Rt4则配置于相对小的电场值处。既然两翅部的电场彼此同相位，故外部耦合电阻性终结器Rt2与Rt3具有相同效果。仿真结果也展现出这一倾向。当采用外部耦合电阻性终结器Rt2时，可比采用外部耦合电阻性终结器Rt1与Rt4时更大程度地降低品质因子。外部耦合电阻性终结器Rt1比外部耦合电阻性终结器Rt2的效果差的原因在于中央杆部处的电场较分散。
在第一高阶模式的噪声图案的情况中，由于本质的电场分布特性，最好在测量点P2处测量品质因子。第一高阶模式的品质因子变化展现与基频模式相同的倾向。即，配置外部耦合电阻性终结器于功率分配系统中电场最大值处将显著地降低品质因子。该上位特性建议了借着外部耦合电阻性终结器将共振模式的电场最大值处噪声耦合出来且使之消耗有益于功率分配系统的功率完整性。
真实世界的功率分配系统由若干个功率/接地平面、I/O缓冲器电路、电压供应电路、连接通孔、电流路径、以及组装组件所组成，因而展现出比图3a、3b、4a、4b所示的裸板形态更加复杂的性质。迁移仿真使用足够长的仿真时间30ns。为了实际上的兴趣，仅对应于各操作频率而纪录且分析最大电压变动，亦即最糟糕的噪声情况。
功率分配系统的频率响应使用VCR缓冲器模型加以仿真。该线性(或线段性)VCR缓冲器模型从可操作于DDR(双重数据率同步)400MHz的SiS648芯片组的IBIS模型中提取出来。波形基本上为梯形，具有200ps的上升/下降时间。考虑技术革新的迅速性与频谱的正确性，最好使用频率范围高达1.6GHz。
图5a与5b分别显示单一I/O缓冲器D0开关与多重I/O缓冲器D0至D4开关在图2的测量点P1处所测得的最大电压变动。在图5a与5b中，具有空心圆点的虚线代表响应于操作频率的原始噪声电压变动，而具有实心圆点的实线则绘制出当采用图2所示的外部耦合电阻性终结器E1至E4时受到抑制的噪声水平。
从图5a与5b可清楚知道，响应于操作频率的最大电压变动的峰值分别位于400MHz与200MHz的附近。此类数值不同于图4a与4b所示的裸板形态的仿真结果，因为额外的电路已经修改了功率分配系统。
当多重I/O缓冲器D0至D4同步开关时，整体噪声水平高于由单一I/O缓冲器D0开关所造成的噪声，然而其间的关系并非单纯的倍数关系。这暗示由每一噪声来源，亦即I/O缓冲器D0至D4，所产生的噪声并非总是彼此同相位。总体噪声可能因为特定的水平抵销而变小消失。这建议了最糟糕噪声情况可能不是来自于所有I/O缓冲器D0至D4的同时开关，而是来自于其所产生的噪声彼此同相位，或更精确地说彼此同步。
如图5a所示，达成了极佳的噪声抑制性能，特别在共振频率处将噪声从750mV显著地抑制到150mV。如图5b所示，依据本发明的外部耦合电阻性终结器E1至E4在多重I/O缓冲器D0至D4的情况中仍然可有效地抑制噪声，但其效果并不如在单一I/O缓冲器D0的情况中显著。这是因为两种情况中的噪声图案彼此不相同所致。在单一I/O缓冲器的情况中，整体功率分配系统比较象一个裸板，因此可实现单一噪声模式的激发。然而，当配置于不同位置处的多重I/O缓冲器同时开关时，可能发生更复杂的共振模式，导致噪声抑制的效果较不显著。这暗示了共振模式的纯度愈高，噪声抑制的效果愈好。
图6a与6b分别显示在单一I/O缓冲器D0的情况中与多重I/O缓冲器D0至D4的情况中于图2的测量点P2所测得的最大电压变动。除了测量点以外，所有参数的设定都与获得的图5a与5b的形态相同。从图6a清楚可知，对于单一I/O缓冲器D0的情况而言可达成极佳的噪声抑制。从图6b清楚可知，对于多重I/O缓冲器D0至D4的情况而言可实现良好的噪声抑制。
当分别测量点P2与P1测量时，虽然噪声抑制率彼此类似，但噪声水平的绝对值却呈现极大的差异。测量点P1比测量点P2具有更低的最大电压变动的原因有两项。第一项是由于测量点P1较接近电源供应器，导致所测得的电压看起来好象受到固定边界所束缚，而非开放式边界条件。另一项是由于噪声一旦被激发后，在瞬时过程中便会辐射至周围环境。因为Y形微带共振器在测量点P1处的宽度比在测量点P2处的宽度更宽，所以Y形微带共振器于测量点P1处具有较大的有效电容，导致更低的最大电压变动。
在当前的分析中，仅讨论最大电压变动。最大电压变动经常发生于功率分配系统仍然处于瞬时之时。在此条件下，噪声电场分布不会收敛至一特定的分布。相反地，噪声会散射于整个Y形微带共振器中。
图7a与7b分别显示在图2的测量点P1与P2处所测得的最大电压变动。在图7a与7b的仿真中采用多重I/O缓冲器D0至D4。参照图7a与7b，具有圆点的实线指示图2所示的四个外部耦合电阻性终结器E1至E4集中配置于Y形微带共振器13的一翅部的情况。另一方面，具有正方点的虚线指示图4a所示的四个外部耦合电阻性终结器Rt1至Rt4分散配置于Y形微带共振器13的情况。从图7a与7b清楚可知，外部耦合电阻性终结器的分散性配置，亦即Rt1至Rt4，仅轻微增强对于最大电压变动的抑制性，因为电压变动主要集中于两翅部。
综上所述，功率分配系统的品质因子由配置外部耦合电阻性终结器于共振电场分布的电场最大值处而有效地降低。这可归因于在噪声累积暂时状态中的共振电场分布的扭曲。依据本发明的方法显著地抑制与功率分配系统的共振模式的最大电压变动(亦即噪声)相关联。仿真结果指示出最大电压变动在共振频率处从750mV抑制成150mV，并且对于整个操作频率范围而言噪声抑制率约为50％。而且，其建议当共振模式的纯度愈高时，共振模式愈容易被外部耦合电阻性终结器耦合离开功率分配系统。
虽然本发明已经由优选实施例作为例示加以说明，应明白本发明不限于此被说明的实施例。相反地，本发明倾向涵盖对于对本领域技术人员而言明显的各种修改与相似配置。因此，权利要求的范围应根据最广泛的诠释，以包容所有此类修改与相似配置。
权利要求
1.一种开关噪声的降低方法，使用于包括有至少一微带共振器的一功率分配系统中，该方法包含下列步骤形成至少一外部耦合电阻性终结器于所述的至少一微带共振器上，以降低所述的功率分配系统的品质因子而抑制所述的开关噪声的累积。
2.根据权利要求1所述的开关噪声的降低方法，其中所述的至少一外部耦合电阻性终结器配置于所述的至少一微带共振器中发生的一相对高的噪声变动的位置处。
3.根据权利要求1所述的开关噪声的降低方法，其中所述的至少一外部耦合电阻性终结器配置于所述的至少一微带共振器中的发生一相对高的噪声变动的位置附近。
4.根据权利要求1所述的开关噪声的降低方法，其中所述的至少一外部耦合电阻性终结器中的每一个由一电阻所形成。
5.根据权利要求1所述的开关噪声的降低方法，其中所述的至少一外部耦合电阻性终结器中的每一个由一传输线所形成，所述的传输线的一端具有一电阻。
6.根据权利要求1所述的开关噪声的降低方法，其中所述的至少一外部耦合电阻性终结器中的每一个由一损耗性传输线所形成，所述的传输线的一端为开路。
7.根据权利要求1所述的开关噪声的降低方法，其中所述的至少一外部耦合电阻性终结器中的每一个由一条四分之一波长的损耗性传输线所形成。
8.根据权利要求1所述的开关噪声的降低方法，其中所述的至少一微带共振器由一Y形微带共振器所形成，具有一中央杆部与两个翅部，所述的两个翅部连接于所述的中央杆部的一端。
9.根据权利要求1所述的开关噪声的降低方法，其中所述的至少一微带共振器一功率层的一部分，用以分配功率至整个所述功率分配系统。
全文摘要
本发明涉及一种开关噪声的降低方法，使用于包括有至少一微带共振器的一功率分配系统中，该方法包含下列步骤形成至少一外部耦合电阻性终结器于所述的至少一微带共振器上，以降低所述的功率分配系统的品质因子而抑制所述的开关噪声的累积外部耦合电阻性终结器最好形成于微带共振器中发生相对高的噪声变动的位置上。每一外部耦合电阻性终结器得由一电阻、一端具有一电阻的一传输线、一端为开路的一损耗性传输线、或四分之一波长的一损耗性传输线所形成。仿真结果指示出最大电压变动在共振频率处从750mV抑制成150mV，并且对于整个操作频率范围而言噪声抑制率约为50％。
文档编号H04B15/00GK1534825SQ0312121
公开日2004年10月6日 申请日期2003年3月28日 优先权日2003年3月28日
发明者张存续, 陈俊成 申请人:矽统科技股份有限公司