This paper introduces an analytical modeling method for two things; simultaneous switching noise (SSN) coupling through a cutout and vias between the power/ground plane cavities and radiation through a cutout including split in high-speed and high-density multi-layer packages and printed circuit boards (PCBs). Usually, the cutouts are used in multi-layer power/ground plane structures to partition the planes or to separate the planes to isolate simultaneous switching noise (SSN) of noisy digital circuits from sensitive analog circuits or to provide various voltage levels in a power plane layer. The noise-coupling model is expressed in terms of the transfer impedance, which denotes the coupled voltage at a point in a power/ground plane cavity generated by the switching current noise at a point in the other power/ground plane cavity. The proposed modeling and analysis results are compared with measured data up to 10 GHz for the coupling and 3 GHz for the radiation to demonstrate the validity and usefulness of the model and its analysis. Simulation results obtained from the model show acceptable agreement with measurement.
Based on the modeling and measurement, it is demonstrated that the cutout is the major gate for the power/ground noise coupling between the plane cavities and that substantial SSN coupling occurs between the plane cavities through the cutout at the resonant frequencies of the plane cavities. The resonant frequencies are determined by shape, material, and size of the partitioned plane cavities. We also analyze and discuss the characteristics of the noise coupling and radiation, which varies with the positions of the cutouts, the noise source in a plane cavity and the observation point. From the analysis, we propose a method of suppression of the power/ground noise coupling between the plane cavities through the cutout. Proper positioning of the cutout and the devices at each plane cavity achieves significant noise suppression at certain resonant frequencies. The suggested suppression method of the SSN coupling was successfully proved by frequency domain measurement and time domain analysis.
칩 내외에서 신호의 속도는 매우 빠르게 증가하고, 보다 많은 소자들이 고집적화 됨에 따라 칩이 소모하는 전력은 점점 높아지고 있다. 즉, 칩이 소모하는 평균 전류가 급격히 증가하고 있는 것이다. 이에 따라 전력접지망의 잡음신호는 점점 심각해져 시스템의 성능에 큰 영향을 미치고 있다. 기본적으로 잡음신호를 통제하기 위해서는 전력접지망의 정확한 전기적 모델이 필요하다. 전력접지망은 PCB나 패키지상에서 평판이 적층된 구조로 이루어지게 된다. 따라서 전력접지망의 모델은 전력/접지 평판이 적층된 구조를 전기적으로 등가인 마이크로웨이브 회로로 바꾸는 작업이다.
이 논문에서는 전력접지 잡음 신호가 절단면 및 비아를 통해 층간 결합되는 현상 그리고 공기 중으로 방사되는 현상을 모델링 하였다. 제안된 모델은 주파수 영역 및 시간 영역 측정을 통해 검증되었으며, 측정 결과 공진 주파수에서 상당량의 잡음신호가 결합되고 방사되는 것이 관찰되었다. 제안한 모델에 따르면 결합된 잡음신호는 정현파 함수의 조합으로 이루어져 있음을 알 수 있으며 정현파의 특징에 의해 고점과 저점을 지니게 된다. 이를 토대로 절단면 및 포트를 적절한 위치에 배치함으로써 잡음신호의 결합을 최소화 할 수 있는 방법을 제시하였다. 제시된 설계방법은 실험을 통해 그 효과를 검증하였으며, 고속 패키지나 회로기판에서 유용하게 사용될 수 있다.
