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隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在高速電路中信號的頻率的變高、邊沿變陡、電路板的尺寸變小、布線(xiàn)的密度變大，這些因素使得在高速數字電路的設計中，信號完整性問(wèn)題越來(lái)越突出，其已經(jīng)成為高速電路設計工程師不可避免的問(wèn)題。串擾是指有害信號從一個(gè)網(wǎng)絡(luò )轉移到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，它是信號完整性問(wèn)題中一個(gè)重要問(wèn)題，在數字設計中普遍存在，有可能出現在芯片、PCB板、連接器、芯片封裝和連接器電纜等器件上。如果串擾超過(guò)一定的限度就會(huì )引起電路的誤觸發(fā)，導致系統無(wú)法正常工作。因此了解串擾問(wèn)題產(chǎn)生的機理并掌握解決串擾的設計方法，對于工程師來(lái)說(shuō)是相當重要的。 1 串擾問(wèn)題產(chǎn)生的機理 串擾是信號在傳輸線(xiàn)上傳播時(shí)，由于電磁耦合而在相鄰的傳輸線(xiàn)上產(chǎn)生不期望的電壓或電流噪聲干擾，信號線(xiàn)的邊緣場(chǎng)效應是導致串擾產(chǎn)生的根本原因。為了便于分析，下面介紹幾個(gè)有關(guān)的概念。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)之為干擾源網(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)之為靜態(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(或稱(chēng)前向串擾)。由于產(chǎn)生的原因不同將串擾可分為容性耦合串擾和感性耦合串擾兩類(lèi)。 1．1 容性耦合機制 當干擾線(xiàn)上有信號傳輸時(shí)，由于信號邊沿電壓的變化，在信號邊沿附近的區域，干擾線(xiàn)上的分布電容會(huì )感應出時(shí)變的電場(chǎng)，而受害線(xiàn)處于這個(gè)電場(chǎng)里面，所以變化的電場(chǎng)會(huì )在受害線(xiàn)上產(chǎn)生感應電流�？梢园研盘柕倪呇乜闯墒茄馗蓴_線(xiàn)移動(dòng)的電流源，在它移動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)電容耦合不斷地在受害線(xiàn)上產(chǎn)生電流噪聲。由于在受害線(xiàn)上每個(gè)方向的阻抗都是相同的，所以50％的容性耦合電流流向近端而另509／6則傳向遠端。此外，容性耦合電流的流向都是從信號路徑到返回路徑的，所以向近端和遠端傳播的耦合電流都是正向的。對于近端容性耦合串擾，隨著(zhù)驅動(dòng)器輸出信號出現上升沿脈沖，流向近端的電流將從零開(kāi)始迅速增加，當邊沿輸入了一個(gè)飽和長(cháng)度以后，近端電流將達到一個(gè)固定值。另外，流向近端的耦合電流將以恒定的速度源源不斷地流向近端，當上升沿到達干擾線(xiàn)的接收端，此上升沿會(huì )被接受吸收，不再產(chǎn)生耦合電流信號，但是受害線(xiàn)上還有后向電流流向受害線(xiàn)的近端，所以近端的耦合電流將持續兩倍的傳輸延遲。 對于遠端容性耦合串擾，由于信號的邊沿可看成是移動(dòng)的電流源，它將在邊沿的附近區域產(chǎn)生經(jīng)互容流進(jìn)受害線(xiàn)的耦合電流，而產(chǎn)生的耦合電流將有50％與干擾線(xiàn)上的信號同向而且速度相同地流人遠端，因此隨著(zhù)干擾線(xiàn)上信號的傳輸，在受害線(xiàn)上將不斷地產(chǎn)生的前向耦合電流而且和已經(jīng)存在的前向耦合電流不斷地疊加，并一同傳向遠端。由于串擾只在信號的邊沿附近區域產(chǎn)生，流向遠端的耦合電流的持續時(shí)間等于信號的躍變時(shí)間。具體的容性耦合如圖2所示。 1．2 感性耦合機制 當信號在于擾線(xiàn)上傳播時(shí)，由于信號電流的變化，在信號躍變的附近區域，通過(guò)分布電感的作用將產(chǎn)生時(shí)變的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在受害線(xiàn)上將感應出噪聲電壓，進(jìn)而形成感性的耦合電流，并分別向近端和遠端傳播。與容性耦合電流不一樣的是，感性耦合電流的方向與干擾線(xiàn)上信號傳播的方向是反向的，向近端傳輸時(shí)，電流回路是從信號路徑到返回路徑，而向遠端傳輸時(shí)，電流回路則是從返回路徑到信號路徑。 對于近端感性耦合串擾，其特征與近端容性耦合串擾非常相似，也是從零開(kāi)始迅速增加，當傳輸長(cháng)度大于等于飽和長(cháng)度以后，將穩定在一個(gè)固定值，持續時(shí)間是兩倍的傳輸延遲。因為流向近端的感性耦合電流與容性耦合電流同向，所以?xún)烧邔B加在一起。 對于遠端感性耦合串擾，感性耦合噪聲與干擾線(xiàn)上信號邊沿的傳播速度相同，而且在每一步將會(huì )耦合出越來(lái)越多的噪聲電流，持續的時(shí)間等于信號躍變的時(shí)間。但是由于電流流向與遠端容性耦合電流是反向的，所以到達受害線(xiàn)遠端接收器的耦合電流是兩者之差。具體的感性耦合如圖3所示。 l.3 互感和互容的混合效應 一般地，在完整的地平面上，容性和感性的耦合產(chǎn)生的串擾電壓大小相等，因此遠端串擾的總噪聲由于容性和感性耦合的極性不一樣而相互抵消。在帶狀線(xiàn)電路更能夠顯示兩者之間很好的平衡，其遠端耦合系數極小，但是對于微帶線(xiàn)路，由于與串擾相關(guān)的電場(chǎng)大部分穿過(guò)的是空氣，而不是其他的絕緣材料，因此容性串擾比感性串擾小，導致其遠端串擾系數是一個(gè)小的負數。 2 串擾的仿真分析 在實(shí)際的設計中，板層特性(如厚度，介質(zhì)常數等)以及線(xiàn)長(cháng)、線(xiàn)寬、線(xiàn)距、信號的上升時(shí)間等都會(huì )對串擾有所影響。下面結合使用Mentor Graphie公司的信號完整性仿真軟件Hyperlynx，對上述的影響串擾的因素進(jìn)行分析。首先在Hyperlynx中建立兩線(xiàn)串擾的模型，如圖4所示，設兩線(xiàn)的線(xiàn)寬為5 mil，線(xiàn)長(cháng)為6 in，線(xiàn)距為5 mil，兩線(xiàn)均為頂層微帶線(xiàn)，特性阻抗為49．5Ω，兩線(xiàn)都端接50Ω的電阻，以消除反射的影響。干擾線(xiàn)的驅動(dòng)器采用CMOS工藝器件的IBIS模型，電壓為3．3 V，頻率為100 MHz。PCB的介電常數為4．3，六層板，其疊層結構如圖5所示。 2．1 耦合長(cháng)度對串擾的影響 改變兩線(xiàn)的耦合長(cháng)度，分別將耦合長(cháng)度設置為3 in，6 in，10 in，其他設置不變。 圖6(a)是耦合長(cháng)度為3 in的串擾波形，其中近端串擾峰值為126．34 mV，遠端為43．01 mV；圖6(b)是耦合長(cháng)度為6 in的串擾波形，其近端串擾峰值為153．23 mV，遠端為99．46 mV；圖6(c)是耦合長(cháng)度為10 in的串擾波形，其近端串擾峰值為153．23 mV，遠端為163．98 mV。由此可見(jiàn)，對于遠端串擾峰值與耦合長(cháng)度成正比，耦合長(cháng)度越長(cháng)，串擾越大；而對于近端串擾，當耦合長(cháng)度小于飽和長(cháng)度時(shí)，串擾將隨著(zhù)耦合長(cháng)度的增加而增加，但是當耦合長(cháng)度大于飽和長(cháng)度時(shí)，近端串擾值將為一個(gè)穩定值。 2．2 線(xiàn)間距對串擾的影響 以下是保持其他設置不變，考察線(xiàn)間距的改變對串擾的影響。分別設置線(xiàn)距為5 mil，15 mil，仿真波形如圖7所示。 由圖7可知，當線(xiàn)間距為5 mil時(shí)，近段串擾峰值為153．23 mV，遠端為99．46 mV；而線(xiàn)間距為15 mil時(shí)，近端串擾峰值為33．40 mV，遠端為40．49 mV�？梢�(jiàn)隨著(zhù)線(xiàn)間距的增大，無(wú)論是近端還是遠端串擾都將減小，當線(xiàn)間距大于等于線(xiàn)寬的3倍時(shí)，串擾已經(jīng)很小。 2．3 上升時(shí)間對串擾的影響 下面考察上升沿時(shí)間的變化對串擾的影響，其他設置保持不變。分別設置驅動(dòng)器為CMOS 3．3 V MEDI—UM；CMOS 3．3 V FAST；CMOS 3．3 V ULTRA—FAST，仿真波形如圖8所示。 圖8(a)中的近端串擾峰值為153．9 mV，遠端串擾為46．3 mV；圖8(b)中近端串擾峰值為153．2 mV，遠端串擾為99．5 mV；圖8(c)中近段串擾峰值為153．2 mV，遠端串擾為349．9 mV�？梢�(jiàn)，當上升沿時(shí)間縮短時(shí)，遠端串擾噪聲越來(lái)越大。對于近端串擾來(lái)說(shuō)，如果與傳輸線(xiàn)的時(shí)延相比，上升時(shí)間較短，則近端串擾與上升時(shí)間無(wú)關(guān)；而如果與傳輸線(xiàn)時(shí)遲相比，上升時(shí)間較長(cháng)，則近端串擾噪聲與上升時(shí)間有關(guān)(隨著(zhù)上升沿時(shí)間的減小，近端串擾變大)。 2．4 介質(zhì)層厚度對串擾的影響 在PCB的疊層編輯器中將介質(zhì)層厚度分別設置為3 mil和6 mil，其他設置不變，仿真波形如圖9所示。 考察以上的仿真波形可知，當介質(zhì)層厚度為3 mil時(shí)，近端串擾峰值為153．2 mV，遠端串擾為99．5 mV；當介質(zhì)層厚度為6 mil時(shí)，近端串擾峰值為277．3 mV，遠端串擾為163．9 mV�？梢�(jiàn)，隨著(zhù)介質(zhì)層厚度的減小，串擾也將變小。 3 解決串擾的方法 串擾在電子產(chǎn)品的設計中普遍存在，通過(guò)以上的分析與仿真，了解了串擾的特性，總結出以下減少串擾的方法： (1)在情況允許的情況下，盡量增大走線(xiàn)之間的距離，減小平行走線(xiàn)的長(cháng)度，必要時(shí)采用jog方式走線(xiàn)。 (2)在確保信號時(shí)序的情況下，盡可能地選擇上升沿和下降沿速度更慢的器件，使電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化的速度變慢，從而降低串擾。 (3)在設計走線(xiàn)時(shí)，應該盡量使導體靠近地平面或電源平面。這樣可以使信號路徑與地平面緊密的耦合，減少對相鄰信號線(xiàn)的干擾。 (4)在布線(xiàn)空間允許的條件下，在串擾較嚴重的兩條信號線(xiàn)之間插入一條地線(xiàn)，可以減小兩條信號線(xiàn)間的耦合，進(jìn)而減小串擾。 4 結 語(yǔ) 串擾是信號完整性中的重要內容，影響系統的時(shí)序、降低噪聲容限，導致系統無(wú)法正常的工作。介紹了高速電路中串擾產(chǎn)生的機理，并通過(guò)仿真對串擾進(jìn)行分析，得出串擾的大小與影響串擾相關(guān)因素的關(guān)系，在此基礎上提出了一些減小串擾的方法，對于在高速高密度的電路設計中解決串擾問(wèn)題有一定的指導意義。 |
