解析嵌入式系統串擾問(wèn)題

引言

在嵌入式系統硬件設計中，串擾是硬件工程師必須面對的問(wèn)題。特別是在高速數字電路中，由于信號沿時(shí)間短、布線(xiàn)密度大、信號完整性差，串擾的問(wèn)題也就更為突出。設計者必須了解串擾產(chǎn)生的原理，并且在設計時(shí)應用恰當的方法，使串擾產(chǎn)生的負面影響降到最小。

1 串擾理論分析

串擾主要源自?xún)蓚€(gè)相鄰導體之間所形成的互感與互容。在高速數字電路中，互感通常比互容的問(wèn)題更嚴重。

1.1 互容

一個(gè)電路產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)會(huì )影響第二個(gè)電路，這種相互影響的系數稱(chēng)為它們的互容。

式中，CM為互容，ΔV為驅動(dòng)波形的階躍幅度，TR是驅動(dòng)波形的上升時(shí)間，RB是接收電路的接地阻抗。

由式1可知，互容串擾電壓與CM、ΔV/TR 、成正比，因此，減小互容串擾電壓的方法有：
　　
② 減小ΔV/TR。在確保信號時(shí)序的前提下，盡可能選擇信號沿較緩的器件。

③ 減小RB。減小被干擾電路接地阻抗，對被干擾電路進(jìn)行末端端接，為被干擾電路并接去耦電容。

1.2 互感

兩個(gè)信號回路相互靠近時(shí)，一個(gè)信號回路的磁場(chǎng)變化將影響另一個(gè)信號回路，這種影響就是互感?；ジ械拇笮∪Q于信號回路的自感與兩個(gè)信號回路耦合的程度。

式中，LM為互感，ΔV為驅動(dòng)波形的階躍幅度，TR是驅動(dòng)波形的上升時(shí)間，RA是驅動(dòng)電路的源端阻抗。

由式(2)可知，互感串擾電壓與LM、ΔV/TR 成正比，與RA成反比。因此，減小互感串擾電壓有如下方法。

（1） 減小LM

① 增大信號走線(xiàn)間距（因為L(cháng)M隨著(zhù)間距平方的增加而下降，關(guān)鍵信號可采用3W原則）。

② 為信號提供完整的參考平面。在低速電路中，電流沿著(zhù)電阻最小路徑前進(jìn)，而高速信號沿著(zhù)電感最小路徑前進(jìn)。電感最小的返回路徑就緊貼在一個(gè)信號導體下面，它使輸出電流路徑與返回電流路徑之間的總回路面積最小，從而使輸出電流路徑與返回電流路徑的干擾磁場(chǎng)相互抵消。

③ 減小信號到參考平面的距離，從而減小環(huán)路面積，達到減小LM的目的。

④ 盡可能地減小相鄰信號間的平行長(cháng)度。平行長(cháng)度越短，則總的LM越小。

⑤ 無(wú)參考平面隔離的相鄰信號層走線(xiàn)方向應該垂直，可減小磁場(chǎng)耦合程度。

⑥ 對串擾較敏感的信號線(xiàn)盡量布在內層，以減小磁場(chǎng)耦合程度。

（2） 減小ΔV/TR

在確保信號時(shí)序的前提下，盡可能選擇信號沿較緩的器件。

（3） 增大RA

在干擾電路源端串接電阻，減小電流變化斜率，同時(shí)要兼顧與傳輸線(xiàn)阻抗匹配，避免信號反射。

1.3 近端串擾和遠端串擾

圖1 兩條傳輸線(xiàn)的耦合

如圖1所示，假設位于A(yíng)點(diǎn)的驅動(dòng)器是干擾源，而位于D點(diǎn)的接受器為被干擾對象，那么驅動(dòng)器A所在的傳輸線(xiàn)被稱(chēng)為“干擾源網(wǎng)絡(luò )”或“侵害網(wǎng)絡(luò )(Agreessor)”，相應的接收器D所在的傳輸線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )被稱(chēng)為“靜態(tài)網(wǎng)絡(luò )”或“受害網(wǎng)絡(luò )”。靜態(tài)網(wǎng)絡(luò )靠近干擾源一端的串擾稱(chēng)為“近端串擾”(也稱(chēng)后向串擾)，而遠離干擾源一端的串擾稱(chēng)為“遠端串擾”(也稱(chēng)前向串擾)。根據產(chǎn)生的原因不同，可將串擾分為容性耦合串擾和感性耦合串擾兩類(lèi)。

受侵害線(xiàn)上近端和遠端串擾噪聲的波形可以通過(guò)圖2得出。當一個(gè)數字脈沖上升沿進(jìn)入傳輸線(xiàn)，它將不斷地在受侵害線(xiàn)上感應出噪聲，一部分串擾噪聲將傳向近端，另一部分將傳向遠端。遠端串擾脈沖與侵害線(xiàn)上的信號經(jīng)過(guò)時(shí)間TD(信號在傳輸線(xiàn)上的延遲時(shí)間)后同步到達終端。近端串擾脈沖將起始于侵害線(xiàn)上信號變化沿出現的時(shí)刻，而侵害信號到達終端前產(chǎn)生的最后一部分近端串擾信號將在t=2TD時(shí)刻才到達近端，這是因為這部分信號要經(jīng)過(guò)整條傳輸線(xiàn)才能被傳回近端。所以，近端串擾起始于t=0，并且持續2TD的時(shí)間。遠端串擾起始于t=TD，持續時(shí)間為數字信號的上升或者下降時(shí)間。

圖2 串擾噪聲示意圖

近端和遠端傳播的容性耦合電流都是正向的。具體的容性耦合如圖3所示，圖中的TP是干擾信號在傳輸線(xiàn)上的延遲時(shí)間，Tr是干擾信號的上升時(shí)間。

流向近端的感性耦合電流與近端容性耦合電流同向，流向遠端的感性耦合電流與遠端容性耦合電流反向。具體的感性耦合如圖4所示。

圖3 容性耦合的近端、遠端串擾波形