高速PCB串擾分析及其最小化

1.引言

隨著(zhù)電子產(chǎn)品功能的日益復雜和性能的提高，印刷電路板的密度和其相關(guān)器件的頻率都不斷攀升，保持并提高系統的速度與性能成為設計者面前的一個(gè)重要課題。信號頻率變高，邊沿變陡，印刷電路板的尺寸變小，布線(xiàn)密度加大等都使得串擾在高速PCB設計中的影響顯著(zhù)增加。串擾問(wèn)題是客觀(guān)存在，但超過(guò)一定的界限可能引起電路的誤觸發(fā)，導致系統無(wú)法正常工作。設計者必須了解串擾產(chǎn)生的機理，并且在設計中應用恰當的方法，使串擾產(chǎn)生的負面影響最小化。

2.高頻數字信號串擾的產(chǎn)生及變化趨勢

串擾是指當信號在傳輸線(xiàn)上傳播時(shí)，相鄰信號之間由于電磁場(chǎng)的相互耦合而產(chǎn)生的不期望的噪聲電壓信號，即能量由一條線(xiàn)耦合到另一條線(xiàn)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(xiàn)的串擾模型，傳輸線(xiàn)AB和CD的特性阻抗為Z0，且終端匹配電阻R=Z0。如果位于A(yíng)點(diǎn)的驅動(dòng)源為干擾源，則A―B間的線(xiàn)網(wǎng)稱(chēng)為干擾源網(wǎng)絡(luò )(Aggressor line)，C―D之間的線(xiàn)網(wǎng)被稱(chēng)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 )的驅動(dòng)端的串擾稱(chēng)為近端串擾(也稱(chēng)后向串擾)，而靠近干擾源網(wǎng)絡(luò )接收端方向的串擾稱(chēng)為遠端串擾(也稱(chēng)前向串擾)。串擾主要源自?xún)上噜弻w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(xiàn)路A到B上傳輸的信號的磁場(chǎng)在線(xiàn)路C到D上感應出電壓，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(xiàn)，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(xiàn)上。當一個(gè)電壓階躍信號從A移動(dòng)到B，每個(gè)分布在干擾線(xiàn)上的變壓器會(huì )依序感應一個(gè)干擾尖脈沖出現在被干擾網(wǎng)絡(luò )上?；ジ性诒桓蓴_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 )上驅動(dòng)電流的變化成正比。由互感產(chǎn)生的噪聲計算公式為

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(zhù)傳輸線(xiàn)CD分別往C和D點(diǎn)行進(jìn)。