高速PCB設(shè)計串擾分析
發(fā)布時間:2016-07-07 08:20:32 分類:資料中心
串擾是指當信號在傳輸線上傳播時,相鄰信號之間由于電磁場的相互耦合而產(chǎn)生的不期望的噪聲電壓信號,即能量由一條線耦合到另一條線上。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)計者面前的一個重要課題。信號頻率變高,邊沿變陡,PCB尺寸變小,布線密度加大等都使得串擾在高速PCB設(shè)計中的影響顯著增加。串擾問題是客觀存在的,但超過一定的界限可能引起電路的誤觸發(fā),導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。設(shè)計者必須了解串擾產(chǎn)生的原理,并且在設(shè)計中應(yīng)用恰當?shù)姆椒?,使串擾產(chǎn)生的負面影響小化。
高速PCB
設(shè)計中的串繞既可以是由互電感產(chǎn)生的磁場耦合引起的,也可以是由互電容產(chǎn)生的電場耦合引起的。圖1是兩種耦合傳輸線串擾的模型,其中近端串擾是指在被干擾線上靠近干擾線驅(qū)動器的串擾,遠端串擾是指被干擾線上靠近干擾線接收端的串擾。
磁場(感性)和電場(容性)串擾模型圖
感性耦合是由于干擾源上的電流變化產(chǎn)生的磁場在被干擾對象上引起感應(yīng)電壓從而導(dǎo)致的干擾。圖1中線路ab上傳輸信號的磁場在線路cd上感應(yīng)出電壓,可以把干擾線看作變壓器的一次側(cè),把被干擾線看作變壓器的二次側(cè),被干擾線產(chǎn)生的電流在近端負載電阻和遠端負載電阻中流動。由互感耦合引起的各點波形如圖2(a)所示,圖2中Tp為傳輸線的延遲時間,Tr為驅(qū)動信號的上升時間。由圖2(a)可知遠端耦合產(chǎn)生一個負脈沖,其脈沖寬度為Tr,近端耦合存2TP時間展開,其幅度不變,但它們耦合串擾的總面積相等。串擾耦合總面積大小與LM(dIs/dt)、耦合長度成正比。
容性耦合是由于干擾源上的電壓變化在被干擾對象上引起感應(yīng)電流從而導(dǎo)致的干擾。由互容耦合引起的各點波形如圖2(b)所示,與互感耦合不同的地方是遠端耦合為正脈沖。其耦合串擾面積大小與CM[(dv/dt)、耦合長度成正比。
感性與容性共同耦合的串擾,實質(zhì)是兩種耦合串擾疊加的結(jié)果。由圖2可知,電感耦合和電容耦合串擾都試圖在近端d加強它們的效果(它們在d點的極性相同),而在遠端c試圖抵消彼此的效果(它們在c點的極性相反)。近端串擾脈沖的幅度大小是常數(shù),而脈沖寬度由耦合區(qū)域表示的傳播時間Tp的2倍。遠端脈沖的寬度大約為干擾線上脈沖的上升時間Tr,幅度大小隨著耦合長度的增大而加大。正常條件下,在一個完整平面上,感性和容性的串擾電壓大小基本相等,在PCB線路中帶狀線電路具有很好的感性和容性耦合平衡性,其遠端串擾小;對于微帶線路,與串擾相關(guān)的電場大部分穿過空氣,而不是其他的絕緣材料,因此容性串擾比感性串小,導(dǎo)致其遠端耦合是一個負數(shù)。如果串擾是主要面對的問題,那么就把所有的敏感走線都布置成帶狀線。
互感和互容耦合串擾波形圖
串擾對系統(tǒng)的影響一般都是負面的,在高密度復(fù)雜PCB
設(shè)計中不可能完全避免串擾。為減少串擾,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。我們在系統(tǒng)
設(shè)計中就應(yīng)該在考慮不影響系統(tǒng)其它性能的情況下,選擇適當?shù)姆椒▉砹η蟠當_的小化。結(jié)合上面的分析,解決串擾問題主要從以下幾個方面考慮:
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度(累積平行長度),好是在不同層間走線;
在確保信號時序的情況下,盡可能選擇轉(zhuǎn)換速度低的器件,使電場與磁場的變化速率變慢,從而降低串擾;
相鄰兩層的信號層(無平面層隔離)走線方向應(yīng)該垂直,盡量避免平行走線以減少層間的串擾;
在
設(shè)計層疊時,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;
由于表層只有一個參考平面,表層布線的電場耦合比中間層的要強,因而對串擾較敏感的信號線盡量布在內(nèi)層;
通過端接,使傳輸線的遠端和近端終端阻抗與傳輸線匹配,可大大減小串擾的幅度。
串擾在高速PCB線路
設(shè)計中是一個不可忽視的問題,正越來越受到關(guān)注?;跀?shù)字系統(tǒng)
設(shè)計已經(jīng)進入了一個新的階段,許多過去處于次要地位的高速
設(shè)計問題,現(xiàn)在已經(jīng)對于系統(tǒng)性能具有關(guān)鍵的影響。包括串擾在內(nèi)的信號完整性問題帶來了
設(shè)計觀念、
設(shè)計流程及
設(shè)計方法的變革。面對新的挑戰(zhàn),對于串擾噪聲而言,關(guān)鍵的就是找出那些對系統(tǒng)正常運行真正有影響的網(wǎng)絡(luò),而不是盲目的對所有網(wǎng)絡(luò)進行串擾噪聲的抑制,這也是和有限的布線資源相矛盾的。
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