高速高密度電路設計串擾分析

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)。

　　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，因為所有前向干擾能量幾乎同時(shí)抵達C點(diǎn)，所以前向干擾能量與兩傳輸線(xiàn)的互感總量成正比，傳輸線(xiàn)平行的長(cháng)度越長(cháng)，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域是一樣的，但每個(gè)互感變壓器所感應的干擾分量是依序到達D，后向干擾能量的有效時(shí)間長(cháng)達2Tp(Tp為傳播延時(shí))，隨著(zhù)線(xiàn)路平行長(cháng)度的延長(cháng) (即互感增加)，后向串擾的幅度大小是不會(huì )變化的，而持續時(shí)間會(huì )增加。

　　2.2容性耦合

　　互容是產(chǎn)生串擾的另一個(gè)機制?；ト軨m會(huì )對被干擾網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生一個(gè)感應電流，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)生的噪聲計算公式為：

　　分布式耦合電容的耦合機制和分布式電感耦合相類(lèi)似，區別在于耦合的極性。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

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

　　近端串擾總噪聲為：

　　遠端串擾總噪聲為：