PCB科技 - 高速PCB設計指南之四：高速數位系統的串擾控制

內容：在裡面 高頻電路,串擾 可能是最難理解和預測的, 但它是可以控制甚至消除的.

隨著交換速度的提高，現代數位系統遇到了一系列問題，如訊號反射、延遲衰落、串擾和電磁相容性故障。 當集成電路的開關時間下降到5.納秒或4納秒或更少時，印刷電路板本身的固有特性開始出現。 不幸的是，這些特性是有害的，在設計過程中應儘量避免。 在高頻電路中，串擾可能是最難理解和預測的，但它可以控制甚至消除。

1.、什麼導致串擾？

當訊號沿著印刷電路板的佈線傳播時，其電磁波也沿著佈線傳播，從集成電路晶片的一端傳播到線路的另一端。 在傳播過程中，電磁波由於電磁感應而產生瞬態電壓和電流。

電磁波包括隨時間變化的電場和磁場. In 這個 printed circuit 板, 事實上, 電磁場不限於各種佈線, 相當一部分電磁場能量存在於接線外部. 因此, 如果附近有其他線路, 當訊號沿導線傳播時, 它的電場和磁場會影響其他線路. 根據麥克斯韋方程, 隨時間變化的電場和磁場會導致相鄰導體產生電壓和電流. 因此, 伴隨訊號傳播過程的電磁場將導致相鄰線路產生訊號, 這導致 串擾.

在印刷電路板中，引起串擾的線路通常被稱為“入侵者” 受到串擾干擾的線路通常稱為“受害者”。 任何“受害者”中的串擾訊號都可以分為前向串擾訊號和後向串擾訊號，這兩種訊號部分是由電容耦合和電感耦合引起的。 串擾訊號的數學描述非常複雜，但就像湖面上的高速船一樣，人們仍然可以理解前向和後向串擾訊號的一些定量特徵。

高速船對水有兩種影響。 首先，快艇在船頭激起波浪，弧形的漣漪似乎隨著快艇向前移動； 其次，快艇行駛一段時間後，會留下長長的水路。

這與訊號通過“入侵者”時“受害者”的反應非常相似。 “受害者”中有兩種類型的串擾訊號：入侵訊號之前的前向訊號，如船首的水和漣漪； 後向訊號位於入侵訊號的後面，就像船開走後湖中的水迹。

2.、正向串擾的電容特性

前向串擾表現為兩個相互關聯的特徵：電容性和感知性。 當“入侵”訊號前進時，“受害者”中產生同相電壓訊號。 該訊號與“入侵”訊號的速度相同，但總是在“入侵”訊號之前。 這意味著串擾訊號不會提前傳播，而是將以與“入侵”訊號相同的速度與更多能量耦合。

由於“入侵”訊號的變化引起串擾訊號，囙此前向串擾脈衝不是單極性的，而是具有正負極性。 脈衝持續時間等於“入侵”訊號的切換時間。

導線之間的耦合電容决定了正向串擾脈衝的幅度，耦合電容由許多因素决定，例如印刷電路板的資料、幾何尺寸、線交叉的位置等。 振幅與平行線之間的距離成正比：距離越長，串擾脈衝越大。 然而，串擾脈衝的幅度有一個上限，因為“入侵”訊號逐漸失去能量，“受害者”反過來又耦合回“入侵者”。 正向串擾的電感特性

當“入侵”訊號傳播時，其時變磁場也會產生串擾：具有感應特性的前向串擾。 但感知串擾和電容串擾有著明顯的不同：前向感知串擾的極性與前向電容串擾的極性相反。 這是因為在正向上，串擾的電容部分和感知部分相互競爭，相互抵消。 事實上，當正向電容串擾和感知串擾相等時，就不存在正向串擾。

在許多設備中，前向串擾非常小，而後向串擾成為一個主要問題，尤其是對於長條電路板，因為電容耦合增强。 然而，如果沒有類比，實際上不可能知道感知和電容串擾在多大程度上抵消了干擾。

如果已量測前向串擾，則可以根據磁軌的極性確定磁軌是電容耦合還是電感耦合。 如果串擾極性與“入侵”訊號相同，則以電容耦合為主，否則以電感耦合為主。 在印刷電路板中，電感耦合通常更强。

反向串擾的物理理論與正向串擾的物理理論相同：“入侵”訊號的時變電場和磁場會在“受害者”中產生感知和電容訊號。 但兩者之間也存在差异。

最大的區別是反向串擾訊號的持續時間。 由於前向串擾和“入侵”訊號的傳播方向和速度相同，前向串擾的持續時間與“入侵”訊號的持續時間相同。 然而，反向串擾和“入侵”訊號的傳播方向相反，它滯後於“入侵”訊號，並導致長串脈衝。

與前向串擾不同，後向串擾脈衝的幅度與線路長度無關，其脈衝持續時間是“入侵”訊號延遲時間的兩倍。 為什麼？ 假設您從訊號的起點觀察到反向串擾。 當“入侵”訊號遠離起點時，它仍在產生反向脈衝，直到出現另一個延遲訊號。 這樣，反向串擾脈衝的整個持續時間是“入侵”訊號延遲時間的兩倍。

3.、反向串擾的反射

您可能不關心驅動晶片和接收晶片之間的串擾干擾。 然而，為什麼要關心反向脈衝呢？ 因為驅動晶片通常是低阻抗輸出，所以它反射的串擾訊號比吸收的串擾訊號多。 當反向串擾訊號到達“受害者”的驅動晶片時，它將被反射到接收晶片。 由於驅動晶片的輸出電阻通常低於導線本身，囙此常常會引起串擾訊號的反射。

與前向串擾訊號不同，前向串擾訊號具有兩個特性：電感性和電容性，後向串擾訊號只有一個極性，囙此後向串擾訊號不能自我抵消。 反向串擾訊號和反射後的串擾訊號的極性與“入侵”訊號相同，其幅度是這兩部分的總和。

請記住，當您在“受害者”的接收端量測反向串擾脈衝時，該串擾訊號已經被“受害者”驅動晶片反射。 您可以觀察到反向串擾訊號的極性與“入侵”訊號相反。

在數位設計中，您經常關心一些定量名額。 例如，無論如何以及何時產生串擾（正向或反向），其最大雜訊容限為150mV。 那麼，有沒有一種簡單的方法來精確量測譟音？ 簡單的答案是“不”，因為電磁場效應太複雜，涉及一系列方程、電路板的拓撲結構、晶片的類比特性等。

4、線路長度

許多設計師認為，縮短線路長度是减少串擾的關鍵。 事實上，幾乎所有的電路設計軟件都提供了最大平行線長度控制功能。 不幸的是，僅通過改變幾何值很難减少串擾。

由於前向串擾受耦合長度的影響，當縮短沒有耦合關係的線路長度時，串擾幾乎沒有减少。 此外，如果耦合長度超過驅動晶片的下降或上升時間延遲，則耦合長度與前向串擾之間的線性關係將達到飽和值。 此時，縮短已經很長的耦合線對减少串擾幾乎沒有影響。

一種合理的方法是擴大耦合線之間的距離。 在幾乎所有情况下，分離耦合線可以大大减少串擾干擾。 實踐證明，反向串擾幅度與耦合線之間距離的平方大致成反比，即如果距離加倍，串擾將减少四分之3。 當反向串擾占主導地位時，這種效應更加明顯。

5. 串擾消除

從實用的角度來看，最重要的問題是如何消除串擾。 當串擾影響電路特性時，您應該怎麼做？

您可以採用以下兩種策略。 一種方法是更改影響耦合的一個或多個幾何參數，例如線路長度、線路之間的距離和電路板的分層位置。 另一種方法是使用終端將單線轉換為多通道耦合線。 通過合理的設計，多線終端可以消除大部分串擾。

6、隔離困難

新增耦合線之間的距離並不容易. 如果你的線路很密集, 您必須花費大量精力來降低佈線密度. If you are worried 關於串擾 干擾, 可以添加一個或兩個隔離層. If you have to expand the 線間距 or networks, then you'd better have a software 那就是 easy to operate. 這個 width and thickness of the circuit also affect the 串擾 干擾, 但是 its influence is much smaller than the distance factor of the circuit. 因此, 這兩個參數通常很少調整.

由於電路板的絕緣材料具有介電常數，它還會在線路之間產生耦合電容，囙此降低介電常數也可以减少串擾干擾。 這種效果不是很明顯，尤其是微帶電路中的電介質部分已經是空氣了。 更重要的是，改變介電常數並不容易，尤其是在昂貴的設備中。 解決方法是使用更昂貴的資料，而不是FR-4。

電介質資料的厚度在很大程度上影響串擾干擾。 通常，使佈線層靠近電源層（Vcc或接地）可以减少串擾干擾。 改善效果的準確值需要通過類比確定。

7、分層因素

所以me printed circuit 板 設計師 仍然不注意分層方法, 這是高速電路設計中的一個重大錯誤. 分層不僅影響傳輸線的效能, 例如阻抗, 延遲和耦合, 但電路運行也容易出現故障甚至變化. 例如, 不可能减少 串擾 干擾 by reducing the dielectric thickness of 5mil, 雖然可以在成本和流程方面做到這一點.

另一個容易忽視的因素是圖層的選擇。 在許多情况下，前向串擾是微帶電路中的主要串擾干擾。 然而，如果設計合理，佈線層位於兩個功率層之間，囙此電容耦合和電感耦合得到很好的平衡，具有較低振幅的反向串擾成為主要因素。 囙此，您必須注意在類比過程中什麼樣的串擾干擾占主導地位。

佈線和晶片之間的位置關係也會影響串擾。 由於後向串擾到達接收晶片並反射到驅動晶片，囙此驅動晶片的位置和效能非常重要。 由於拓撲、反射等因素的複雜性，很難解釋誰是串擾的主要影響者。 如果有多個拓撲結構可供選擇，最好使用類比來確定哪種結構對串擾的影響最小。

一個可能减少串擾的非幾何因素是驅動晶片本身的技術指標。 一般原則是選擇開關時間長的驅動晶片以减少串擾干擾（對於解决高速引起的許多其他問題也是如此）。 即使串擾與切換時間不成嚴格比例，縮短切換時間仍將產生重大影響。 在許多情况下，您無法選擇驅動晶片科技，您只能更改幾何參數來實現您的目標。 减少通過終端的串擾

眾所周知，連接一個獨立的、未耦合的傳輸線終端以匹配阻抗，它不會產生反射。 現在考慮一系列耦合傳輸線，例如，3條相互串擾的傳輸線，或一對耦合傳輸線。 如果使用電路分析軟體，可以匯出一對矩陣，表示傳輸線本身以及彼此之間的電容和電感。 例如，3條傳輸線可能具有以下C和L矩陣：

在這些矩陣中，對角線元素是傳輸線本身的值，非對角線元素是傳輸線之間的值。 （請注意，它們以組織長度的pF和nH表示）。 可以使用複雜的電磁場測試儀來確定這些值。

可以看出，每組傳輸線也有一個特性阻抗矩陣。 在該Z0矩陣中，對角線元素表示傳輸線對地的阻抗值，非對角線元素表示傳輸線的耦合值。

對於一組傳輸線，類似於單個傳輸線，如果終端是與Z0匹配的阻抗矩陣，則其矩陣幾乎相同。 只要形成的阻抗網絡與Z0匹配，所需阻抗不必為Z0中的值。 阻抗矩陣不僅包括傳輸線對地的阻抗，還包括傳輸線之間的阻抗。

這種阻抗矩陣具有良好的性質。 首先，它可以防止串擾在非耦合線路中的反射。 更重要的是，它可以消除已經形成的串擾。

8、致命武器

不幸的是，這樣的終端價格昂貴，無法理想地實現，因為一些傳輸線之間的耦合阻抗太小，這將導致大電流流入驅動晶片。 傳輸線和接地之間的阻抗不能太大，無法驅動晶片。 如果存在這些問題，並且您計畫使用這種類型的端子，請嘗試添加一些交流耦合電容器。

雖然在實施中存在一些困難, the impedance array terminal is still a lethal weapon to deal with 訊號 反射和串擾, 特別是在惡劣條件下. 在其他環境中, 它可能有效，也可能無效, 但這仍然是一種推薦的方法.