優(yōu)化PCB布線減少串?dāng)_的解決方案

I.序言

如今，各種便攜式計算設(shè)備都應(yīng)用了密集的印刷電路板(PCB)設(shè)計，并使用了多個高速數(shù)字通信協(xié)議，例如 PCIe、USB 和 SATA,這些高速數(shù)字協(xié)議支持高達(dá) Gb 的數(shù)據(jù)吞吐速率并具有數(shù)百毫伏的差分幅度。

入侵(aggressor)信號與受害(victim)信號出現(xiàn)能量耦合時會產(chǎn)生串?dāng)_，表現(xiàn)為電場或磁場干擾。電場通過信號間的互電容耦合，磁場則通過互感耦合。

方程式(1)和(2)分別是入侵信號對受害信號的感應(yīng)電壓和電流計算公式，方程式(3)和(4)分別是入侵信號和受害信號之間的互電容和互電感計算公式。

圖中文字中英對照

nduced voltage on victim :受害信號的感應(yīng)電壓

mutual inductance between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的互電感

transient edge rate of current due to aggressor :受入侵信號影響的瞬態(tài)電流邊沿速率

induced current on victim :受害信號的感應(yīng)電流

mutual capacitance between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的互電容

dielectric permittivity :介電常數(shù)

overlapped conductive area between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的重疊導(dǎo)電區(qū)域

distance between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的距離

transient edge rate of voltage due to aggressor :受入侵信號影響的瞬態(tài)電壓邊沿速率

如方程式(1)、(2)、(3)和(4)所示，距離增加時，受害信號和入侵信號之間的電感和電容耦合降低。然而，由于必須滿足便攜計算設(shè)備設(shè)計緊湊的要求，PCB 的尺寸有限，增加線間空隙的難度很大。

微帶線收發(fā)交叉布線和帶狀線收發(fā)非交叉布線的方法可緩解串?dāng)_或耦合問題。

圖1 交叉布線(transmitted pair:發(fā)射對;received pair:接收對)

圖2 非交叉布線(transmitted pair:發(fā)射對;received pair:接收對)

當(dāng)遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)遠(yuǎn)大于近端串?dāng)_(NEXT)時適用交叉模式。相反，當(dāng)近端串?dāng)_遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端串?dāng)_時適用非交叉布線。近端串?dāng)_表示受害網(wǎng)絡(luò)鄰近入侵信號發(fā)射機而造成的串?dāng)_，遠(yuǎn)端串?dāng)_表示受害網(wǎng)絡(luò)鄰近入侵信號接收機而造成的串?dāng)_。通過分析入侵信號和受害信號這兩個緊密耦合信號的 S 參數(shù)與瞬態(tài)響應(yīng)，我們可以對比微帶線和帶狀線的遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_

II. 仿真

圖3 和圖4 分別是 ADS 中的 S 參數(shù)和瞬態(tài)分析仿真模型。圖3 中，100Ω差分阻抗和3 英寸長的受害信號和入侵網(wǎng)絡(luò)信號線對的單模 S 參數(shù)通過數(shù)學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘帜Ｊ?。端? 和端口2 分別表示入侵信號對的輸入和輸出端口，而端口3 和端口4 分別表示受害網(wǎng)絡(luò)信號對的輸入和輸出端口。入侵信號和受害信號的線對間空隙設(shè)置為8 mil(1 倍布線寬度)。

圖 4 中，中間的傳輸線表示受害網(wǎng)絡(luò)信號對，傳輸線兩端均端接電阻。在受害網(wǎng)絡(luò)信號對上方和下方的傳輸線中分別注入具有 30ps 邊沿速率的方波，以作為入侵信號。

圖3:S 參數(shù)仿真模型(coupled pairs:耦合對)

圖4:瞬態(tài)分析仿真模型(coupled pairs:耦合對)

差分 S 參數(shù) Sdd31 表示近端串?dāng)_，Sdd41 表示遠(yuǎn)端串?dāng)_。Sdd31 定義為端口3(受害網(wǎng)絡(luò)信號輸入端)感應(yīng)電壓相對于端口1(入侵網(wǎng)絡(luò)信號輸入端)入射電壓的增益比，而 Sdd41 定義為端口4(受害網(wǎng)絡(luò)信號輸出端)感應(yīng)電壓相對于端口1(入侵網(wǎng)絡(luò)信號輸入端)入射電壓的增益比。

圖5 和圖6 是耦合微帶線和帶狀線對的仿真 S 參數(shù)。圖5 顯示，Sdd31 低于 Sdd41,表明使用微帶線進(jìn)行布線的 Sdd41 或遠(yuǎn)端串?dāng)_增益高于 Sdd31 或近端串?dāng)_;圖6 顯示，使用帶狀線進(jìn)行布線的 Sdd31 增益高于 Sdd41.

圖5:仿真微帶線 Sdd31和 Sdd41(FEXT:遠(yuǎn)端串?dāng)_;NEXT:近端串?dāng)_)

圖6:仿真帶狀線 Sdd31和 Sdd41(FEXT:遠(yuǎn)端串?dāng)_;NEXT:近端串?dāng)_)

圖7 和 圖8 分別是耦合微帶線和帶狀線對的遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域瞬態(tài)響應(yīng)仿真。如圖7 所示，當(dāng)入侵線信號瞬態(tài)上升或下降時，微帶線布線的受害線的遠(yuǎn)端感應(yīng)電壓峰值(0.3V)遠(yuǎn)大于近端峰值(0.05V);圖8帶狀線仿真顯示，受害信號線的遠(yuǎn)端感應(yīng)電壓峰值與近端相當(dāng)(0.05V)。受害信號的誤觸發(fā)或感應(yīng)峰值會增加接收機集成電路(IC)噪聲裕量超限幾率，進(jìn)而增加比特誤差率(BER)。

圖7:微帶線遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域響應(yīng)仿真(Waveform:波形;Aggressor:入侵信號)

圖8:帶狀線遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域響應(yīng)仿真(Waveform:波形;Aggressor:入侵信號)

為了盡可能降低緊密耦合線對之間的串?dāng)_，微帶線采用收發(fā)交叉布線而帶狀線應(yīng)用收發(fā)非交叉布線是一個更好的選擇。

III. 原型 PCB 測量

為了驗證仿真結(jié)果與實際測量的關(guān)聯(lián)性，我們需要制作原型 PCB.圖9 和 圖10 是耦合微帶線和帶狀線的 S 參數(shù)測量結(jié)果。如圖9 所示，近端串?dāng)_低于遠(yuǎn)端串?dāng)_;圖10 中，遠(yuǎn)端串?dāng)_低于近端串?dāng)_。

圖9:微帶線的 S 參數(shù)測量結(jié)果

圖10:帶狀線的 S 參數(shù)測量結(jié)果

圖11 和 圖12 分別是耦合微帶線和帶狀線對的遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域瞬態(tài)響應(yīng)測量結(jié)果。圖11 中，入侵線的信號瞬態(tài)上升或下降時，受害線的遠(yuǎn)端感應(yīng)電壓峰值(0.3V)遠(yuǎn)大于近端峰值(0.1V);圖12 中，受害線的遠(yuǎn)端感應(yīng)電壓峰值與近端峰值相當(dāng)(0.1V)。

圖 11:微帶線遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域響應(yīng)測量結(jié)果(nsec:納秒)

圖 12:帶狀線遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域響應(yīng)測量結(jié)果(nsec:納秒)

IV. 總結(jié)

S 參數(shù)和時域瞬態(tài)響應(yīng)的分析結(jié)果顯示：采用微帶線收發(fā)交叉布線和帶狀線非交叉布線方案可以最大限度地減少串?dāng)_。要實現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)速率，PCB 設(shè)計必須優(yōu)化信號布線，以確保卓越的信號質(zhì)量。