基于高速PCB串?dāng)_分析及其最小化

1.引言

隨著電子產(chǎn)品功能的日益復(fù)雜和性能的提高，印刷電路板的密度和其相關(guān)器件的頻率都不斷攀升，保持并提高系統(tǒng)的速度與性能成為設(shè)計(jì)者面前的一個(gè)重要課題。信號(hào)頻率變高，邊沿變陡，印刷電路板的尺寸變小，布線密度加大等都使得串?dāng)_在高速PCB設(shè)計(jì)中的影響顯著增加。串?dāng)_問(wèn)題是客觀存在，但超過(guò)一定的界限可能引起電路的誤觸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。設(shè)計(jì)者必須了解串?dāng)_產(chǎn)生的機(jī)理，并且在設(shè)計(jì)中應(yīng)用恰當(dāng)?shù)姆椒?，使串?dāng)_產(chǎn)生的負(fù)面影響最小化。

2.高頻數(shù)字信號(hào)串?dāng)_的產(chǎn)生及變化趨勢(shì)

串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，相鄰信號(hào)之間由于電磁場(chǎng)的相互耦合而產(chǎn)生的不期望的噪聲電壓信號(hào)，即能量由一條線耦合到另一條線上。

如圖1所示，為便于分析，我們依照離散式等效模型來(lái)描述兩個(gè)相鄰傳輸線的串?dāng)_模型，傳輸線AB和CD的特性阻抗為Z0，且終端匹配電阻R=Z0。如果位于A 點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)源為干擾源，則A—B間的線網(wǎng)稱為干擾源網(wǎng)絡(luò)(Aggressor line)，C—D之間的線網(wǎng)被稱為被干擾網(wǎng)絡(luò)(Victim line)，被干擾網(wǎng)絡(luò)靠近干擾源網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)端的串?dāng)_稱為近端串?dāng)_(也稱后向串?dāng)_)，而靠近干擾源網(wǎng)絡(luò)接收端方向的串?dāng)_稱為遠(yuǎn)端串?dāng)_(也稱前向串?dāng)_)。串?dāng)_主要源自兩相鄰導(dǎo)體之間所形成的互感Lm和互容Cm。

2.1感性耦合

在圖1中，先只考慮互感Lm引起的感性耦合。線路A到B上傳輸?shù)男盘?hào)的磁場(chǎng)在線路C到D上感應(yīng)出電壓，磁耦合的作用類(lèi)似一個(gè)變壓器，由于這是個(gè)分布式的傳輸線，所以互感也變成一連串的變壓器分布在兩個(gè)相鄰的并行傳輸線上。當(dāng)一個(gè)電壓階躍信號(hào)從A移動(dòng)到B，每個(gè)分布在干擾線上的變壓器會(huì)依序感應(yīng)一個(gè)干擾尖脈沖出現(xiàn)在被干擾網(wǎng)絡(luò)上。互感在被干擾網(wǎng)絡(luò)上疊加的這個(gè)電壓噪聲，其大小跟干擾網(wǎng)絡(luò)上驅(qū)動(dòng)電流的變化成正比。由互感產(chǎn)生的噪聲計(jì)算公式為

值得注意的是，耦合變壓器每一段的互感耦合的極性是不同的，這些感應(yīng)到被干擾網(wǎng)路的干擾能量依序前向和后向，但極性相反，沿著傳輸線CD分別往C和D點(diǎn)行進(jìn)。

如圖2所示，往C方向的前向干擾能量，是和入射電壓及每個(gè)互感分量Lm成正比，因?yàn)樗星跋蚋蓴_能量幾乎同時(shí)抵達(dá)C點(diǎn)，所以前向干擾能量與兩傳輸線的互感總量成正比，傳輸線平行的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，所產(chǎn)生的互感總量就越大，前向干擾能量也隨即增加;然而往D點(diǎn)的后向干擾能量與往C點(diǎn)的前向干擾能量不同的是，雖然兩者耦合的總區(qū)域是一樣的，但每個(gè)互感變壓器所感應(yīng)的干擾分量是依序到達(dá)D，后向干擾能量的有效時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2Tp(Tp為傳播延時(shí))，隨著線路平行長(zhǎng)度的延長(zhǎng) (即互感增加)，后向串?dāng)_的幅度大小是不會(huì)變化的，而持續(xù)時(shí)間會(huì)增加。

2.2容性耦合

互容是產(chǎn)生串?dāng)_的另一個(gè)機(jī)制。互容Cm會(huì)對(duì)被干擾網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，該電流正比于干擾網(wǎng)絡(luò)上電壓的變化速率，由互容Cm產(chǎn)生的噪聲計(jì)算公式為：

分布式耦合電容的耦合機(jī)制和分布式電感耦合相類(lèi)似，區(qū)別在于耦合的極性。如圖3所示，互容耦合的前向和后向干擾能量的極性都是正的。

2.3互感和互容的合成效應(yīng)

通常，容性串?dāng)_和感性串?dāng)_是同時(shí)發(fā)生的。由文獻(xiàn)[1]，我們可以分別得到近端和遠(yuǎn)端的總串?dāng)_的計(jì)算公式，它們是分別由容性耦合和感性耦合疊加而成的。

其中，Z0，C，l，Cm，Lm，L，V0分別為傳輸線的特征阻抗、單位長(zhǎng)度電容、單位長(zhǎng)度電感，兩傳輸線之間耦合電容、耦合電感，兩傳輸線平行長(zhǎng)度和電壓峰值。

由以上兩式，我們可以看出遠(yuǎn)端串?dāng)_總噪聲由于容性和感性耦合的極性關(guān)系而相互消減，即遠(yuǎn)端串?dāng)_是可以消除的。在PCB布線中，帶狀線(Stripline) 電路更能夠顯示感性和容性耦合之間很好的平衡，其前向耦合能量極小;而對(duì)于微帶線(Microstfip)，與串?dāng)_相關(guān)的電場(chǎng)大部分穿過(guò)的是空氣，而不是其它的絕緣材料，因此容性串?dāng)_比感性串?dāng)_小，導(dǎo)致其前向耦合是一個(gè)小的負(fù)數(shù)。這也就是通常設(shè)計(jì)中，常忽略遠(yuǎn)端串?dāng)_的干擾，而較著重于近端串?dāng)_改善的原因。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，PCB的有關(guān)參數(shù)(如厚度，介電常數(shù)等)以及線長(zhǎng)、線寬、線距、傳輸線與地平面的位置和電流流向都會(huì)影響c、l、Cm、Lm、L、的大小，而信號(hào)頻率和器件的上升/下降時(shí)間決定了 。

在這里我們不做這些參數(shù)對(duì)串?dāng)_影響的定量分析，有關(guān)這些參數(shù)的相互關(guān)系及對(duì)串?dāng)_影響的程度。

2.4串?dāng)_的變化趨勢(shì)

互感與互容的大小影響著串?dāng)_的大小，從而等價(jià)地改變傳輸線特征阻抗與傳播速度。同樣，傳輸線的幾何形狀在很大程度上影響著互感與互容的變化，因此傳輸線本身的特征阻抗對(duì)這些參數(shù)也有影響。在同一介質(zhì)中，相對(duì)低阻抗的傳輸線與參考平面(地平面)間的耦合更加強(qiáng)烈，相對(duì)地與鄰近傳輸線的耦合就會(huì)弱一些，因而低阻抗傳輸線對(duì)串?dāng)_引起的阻抗變化更小一些。

3 串?dāng)_導(dǎo)致的幾種影響

在高速、高密度PCB設(shè)計(jì)中一般提供一個(gè)完整的接地平面，從而使每條信號(hào)線基本上只和它最近的信號(hào)線相互影響，來(lái)自其它較遠(yuǎn)信號(hào)線的交叉耦合是可以忽略的。盡管如此，在模擬系統(tǒng)中，大功率信號(hào)穿過(guò)低電平輸入信號(hào)或當(dāng)信號(hào)電壓較高的元件(如TTL)與信號(hào)電壓較低的元件(如ECL)接近時(shí)，都需要非常高的抗串?dāng)_能力。在PCB設(shè)計(jì)中，如果不正確處理，串?dāng)_對(duì)高速PCB的信號(hào)完整性主要有以下兩種典型的影響。

3.1串?dāng)_引起的誤觸發(fā)

信號(hào)串?dāng)_是高速設(shè)計(jì)所面臨的信號(hào)完整性問(wèn)題中一個(gè)重要內(nèi)容，由串?dāng)_引起的數(shù)字電路功能錯(cuò)誤是最常見(jiàn)的一種。

圖 4是一種典型的由串?dāng)_脈沖引起的相鄰網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤邏輯的傳輸。干擾源網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男盘?hào)通過(guò)耦合電容，在被干擾網(wǎng)絡(luò)和接收端引起一個(gè)噪聲脈沖，結(jié)果導(dǎo)致一個(gè)不希望的脈沖發(fā)送到接受端。如果這個(gè)脈沖強(qiáng)度超過(guò)了接收端的觸發(fā)值，就會(huì)產(chǎn)生無(wú)法控制的觸發(fā)脈沖，引起下一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的邏輯功能混亂。

3.2串?dāng)_引起的時(shí)序延時(shí)

在數(shù)字設(shè)計(jì)中，時(shí)序問(wèn)題是一個(gè)重要考慮的問(wèn)題。圖5顯示了由串?dāng)_噪聲引起的時(shí)序問(wèn)題。圖下半部分是干擾源網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的兩種噪聲脈沖(Helpful圖5串?dāng)_噪聲導(dǎo)致的延時(shí)glitch和Unhelpful glitch)，當(dāng)噪聲脈沖(helpful glitch)疊加到被干擾網(wǎng)絡(luò)，就引起被干擾網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸延時(shí)減少;同樣，當(dāng)噪聲脈沖(Unhelpful glitch)疊加到被干擾網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就增加了被干擾網(wǎng)絡(luò)正常傳輸信號(hào)的延時(shí)。盡管這種減少網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的串?dāng)_噪聲對(duì)改善PCB時(shí)序是有幫助的，但在實(shí)際 PCB設(shè)計(jì)中，由于干擾源網(wǎng)絡(luò)的不確定性，這種延時(shí)是無(wú)法控制的，因而對(duì)這種串?dāng)_引起的延時(shí)必須要加以抑制。

4.串?dāng)_最小化

串?dāng)_在高速高密度的PCB設(shè)計(jì)中普遍存在，串?dāng)_對(duì)系統(tǒng)的影響一般都是負(fù)面的。為減少串?dāng)_，最基本的就是讓干擾源網(wǎng)絡(luò)與被干擾網(wǎng)絡(luò)之間的耦合越小越好。在高密度復(fù)雜PCB設(shè)計(jì)中完全避免串?dāng)_是不可能的，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)者應(yīng)該在考慮不影響系統(tǒng)其它性能的情況下，選擇適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)力求串?dāng)_的最小化。結(jié)合上面的分析，解決串?dāng)_問(wèn)題主要從以下幾個(gè)方面考慮：

在布線條件允許的條件下，盡可能拉大傳輸線間的距離;或者盡可能地減少相鄰傳輸線間的平行長(zhǎng)度(累積平行長(zhǎng)度)，最好是在不同層間走線。

相鄰兩層的信號(hào)層(無(wú)平面層隔離)走線方向應(yīng)該垂直，盡量避免平行走線以減少層間的串?dāng)_。

在確保信號(hào)時(shí)序的情況下，盡可能選擇轉(zhuǎn)換速度低的器件，使電場(chǎng)與磁場(chǎng)的變化速率變慢，從而降低串?dāng)_。

在設(shè)計(jì)層疊時(shí)，在滿足特征阻抗的條件下，應(yīng)使布線層與參考平面(電源或地平面)間的介質(zhì)層盡可能薄，因而加大了傳輸線與參考平面間的耦合度，減少相鄰傳輸線的耦合。

由于表層只有一個(gè)參考平面，表層布線的電場(chǎng)耦合比中間層的要強(qiáng)，因而對(duì)串?dāng)_較敏感的信號(hào)線盡量布在內(nèi)層。

通過(guò)端接，使傳輸線的遠(yuǎn)端和近端終端阻抗與傳輸線匹配，可大大減小串?dāng)_的幅度。

5.結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。許多過(guò)去處于次要地位的高速設(shè)計(jì)問(wèn)題，現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)于系統(tǒng)性能具有關(guān)鍵的影響。包括串?dāng)_在內(nèi)的信號(hào)完整性問(wèn)題帶來(lái)了設(shè)計(jì)觀念、設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)方法的變革。面對(duì)新的挑戰(zhàn)，對(duì)于串?dāng)_噪聲而言，最關(guān)鍵的就是找出那些對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行真正有影響的網(wǎng)絡(luò)，而不是盲目的對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行串?dāng)_噪聲的抑制，這也是和有限的布線資源相矛盾的。本文所討論的串?dāng)_問(wèn)題對(duì)于高速高密度電路設(shè)計(jì)中解決串?dāng)_問(wèn)題具有十分重要的意義。