高速PCB設(shè)計(jì)中的串?dāng)_分析與控制研究

摘要：在當(dāng)今快速朝著大規(guī)模、小體積、高速度的方向發(fā)展的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，體積減小導(dǎo)致電路的布局布線密度變大，同時(shí)信號(hào)的頻率還在提高，使得串?dāng)_成為高速、高密度PCB設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的問題，就串?dāng)_的機(jī)理，分析了影響串?dāng)_的因素，并提出相應(yīng)的控制方法
關(guān)鍵詞：串?dāng)_；串?dāng)_分析；串?dāng)_控制

    當(dāng)今飛速發(fā)展的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高速化和小型化已經(jīng)成為一種趨勢，如何在縮小電子系統(tǒng)體積的同時(shí)，保持并提高系統(tǒng)的速度與性能成為擺在設(shè)計(jì)者面前的一個(gè)重要課題。EDA技術(shù)已經(jīng)研發(fā)出一整套高速PCB和電路板級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析工具和方法學(xué)，這些技術(shù)涵蓋高速電路設(shè)計(jì)分析的方方面面：靜態(tài)時(shí)序分析、信號(hào)完整性分析、EMI/EMC設(shè)計(jì)、地彈反射分析、功率分析以及高速布線器。同時(shí)還包括信號(hào)完整性驗(yàn)證和Sign-Off，設(shè)計(jì)空間探測、互聯(lián)規(guī)劃、電氣規(guī)則約束的互聯(lián)綜合，以及專家系統(tǒng)等技術(shù)方法的提出也為高效率更好地解決信號(hào)完整性問題提供了可能。這里將討論分析信號(hào)完整性問題中的信號(hào)串?dāng)_及其控制的方法。

    串?dāng)_信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理

    串?dāng)_是指一個(gè)信號(hào)在傳輸通道上傳輸時(shí)，因電磁耦合而對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生不期望的影響，在被干擾信號(hào)表現(xiàn)為被注入了一定的耦合電壓和耦合電流。過大的串?dāng)_可能引起電路的誤觸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。如圖1的電路，AB之間的門電路稱為干擾源網(wǎng)絡(luò)(Aggressor Line)，CD之間的門電路稱為被干擾源網(wǎng)絡(luò)(Victim Line)。只要干擾源一改變狀態(tài)，我們就可以觀察到受害源處的脈沖串?dāng)_。
    
   
    圖1　串?dāng)_的干擾源網(wǎng)絡(luò)和被干擾網(wǎng)絡(luò)

    信號(hào)在傳輸通道上傳輸對(duì)相鄰的傳輸線上引起兩類不同的噪聲信號(hào)：容性耦合信號(hào)與感性耦合信號(hào)，如圖2、圖3所示。容性耦合是由于干擾源(Aggressor)上的電壓(Vs)變化在被干擾對(duì)象(Victim)上引起感應(yīng)電流(i)通過互容Cm而導(dǎo)致的電磁干擾，而感性耦合則是由于干擾源上的電流(Is)變化產(chǎn)生的磁場在被干擾對(duì)象上引起感應(yīng)電壓(V)通過互感(Lm)而導(dǎo)致的電磁干擾。

    
    圖2　電容耦合示意圖　　　　　　　　　　　　　　　　

    圖3　電感耦合示意圖

    串?dāng)_的幾個(gè)重要特性分析

    電流流向?qū)Υ當(dāng)_的影響
    串?dāng)_是具有方向的，其波形是電流方向的函數(shù)，這里我們來看兩種情況下的信號(hào)仿真。第一種情況是干擾源線網(wǎng)與被干擾對(duì)象線網(wǎng)的電流流向相同，第二種情況是干擾源線網(wǎng)與被干擾對(duì)象線網(wǎng)的電流流向相反(即位于B點(diǎn)的為驅(qū)動(dòng)源，而位于A點(diǎn)的為負(fù)載)。AB和CD線網(wǎng)都加入20MHz的信號(hào)，表1給出了遠(yuǎn)端D點(diǎn)的串?dāng)_峰值，串?dāng)_的波形仿真結(jié)果如圖4所示。

    
    表1　電流流向不同時(shí)的串?dāng)_峰值

    由仿真結(jié)果可知，電流流向?yàn)榉聪驎r(shí)的遠(yuǎn)端串?dāng)_峰值(357.6mm)要大于電流流向?yàn)橥驎r(shí)的遠(yuǎn)端口串?dāng)_峰值(260.5)。同時(shí)由圖4可以看到，當(dāng)干擾源的電流流向改變后，被干擾源的串?dāng)_極性也改變了。這說明串?dāng)_的大小和極性與相應(yīng)干擾源上信號(hào)的電流流向有關(guān)的。

     
     (a)電流為同向時(shí)的串?dāng)_波形　　　　
   

    
     (b)電流為反向時(shí)的串?dāng)_波形

    圖4　電流流向?qū)Ψ逯档挠绊?BR>
    
    遠(yuǎn)端D點(diǎn)串?dāng)_一般大于近端C點(diǎn)串?dāng)_，因此在串?dāng)_抑制中，D點(diǎn)的遠(yuǎn)端串?dāng)_通常被作為考察線網(wǎng)峰值串?dāng)_電壓大小的重點(diǎn)考慮的因素。

    信號(hào)源頻率與邊緣翻轉(zhuǎn)速率
    干擾源信號(hào)頻率越高，被干擾對(duì)象上的串?dāng)_幅值越大，我們對(duì)圖1中干擾源網(wǎng)絡(luò)AB上的信號(hào)頻率f1分別取不同頻率值時(shí)，對(duì)被干擾對(duì)象上的串?dāng)_進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果見表2，信號(hào)頻率不同時(shí)的串?dāng)_波形見圖5，標(biāo)記為“1”、“2”箭頭所指的波形頻率分別為“500MHz”、“100MHz”。

    表2　干擾源頻率取不同值時(shí)的串?dāng)_峰值

    由仿真結(jié)果可見，被干擾對(duì)象上的串?dāng)_電壓與干擾源信號(hào)的頻率取值成正比，當(dāng)干擾源頻率大100MHz時(shí)，必須采取必要的措施來抑制串?dāng)_。同時(shí)，由圖5還可以看出，當(dāng)干擾源頻率大到500MHz時(shí)的波形，明顯看出被干擾對(duì)象的近端C點(diǎn)的串?dāng)_已經(jīng)大于其遠(yuǎn)端D點(diǎn)的串?dāng)_，這說明此時(shí)容性耦合已經(jīng)超過感性耦合而成為主要的干擾因素，這種情況下不但要處理好遠(yuǎn)端串?dāng)_，而且需要謹(jǐn)慎處理經(jīng)常容易被忽略的近端串?dāng)_。

另外，我們來分析另一項(xiàng)對(duì)串?dāng)_影響極大的因素，它就是信號(hào)的邊緣翻轉(zhuǎn)速率，在數(shù)字電路中，除了信號(hào)頻率對(duì)串?dāng)_有較大影響外，信號(hào)的邊緣翻轉(zhuǎn)速率(上升沿和下降沿)對(duì)串?dāng)_的影響更大，邊沿變化越快，串?dāng)_越大。由于在現(xiàn)代高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，具有較大的邊緣翻轉(zhuǎn)速率的器件的應(yīng)用越來越廣泛，因此對(duì)于這類器件，即使其信號(hào)頻率不高，在布線時(shí)也應(yīng)認(rèn)真對(duì)待以防止過大的串?dāng)_產(chǎn)生。

   
    (a)被干擾對(duì)象的還端串?dāng)_波形

     (b)被干擾對(duì)象的遠(yuǎn)端串?dāng)_波形

    圖5　信號(hào)頻率不同時(shí)的串?dāng)_波形

    
     (a)被干擾對(duì)象的還端串?dāng)_波形

    
    
     (b)被干擾對(duì)象的遠(yuǎn)端串?dāng)_波形
   
    圖6　為兩線間距P和平行長度L取不同值時(shí)串?dāng)_波形

    線間距P與兩線平行長度L對(duì)串?dāng)_大小的影響
    對(duì)于圖1所示的兩線系統(tǒng)，我們進(jìn)行了三種情況的仿真(線網(wǎng)AB上的信號(hào)頻率均為100MHz)仿真結(jié)果見表3，及圖6.：第一種情況是在兩線間距和平行長度不變的條件下，探測被干擾對(duì)象的串?dāng)_(標(biāo)記“1”)；第二種情況是在兩線平行長度不變的前提下，將兩線間距增加到10mils，然后探測被干擾對(duì)象的串?dāng)_標(biāo)記“2”；第三種情況是在兩線間距不變的條件下，將兩線的平行長度增加到2.6inches標(biāo)記“3”，然后探測被干擾對(duì)象的串?dāng)_。由仿真結(jié)果可見，當(dāng)兩線的間距拉大時(shí)(P由5mils變?yōu)?0mils)，串?dāng)_明顯地減小了，而當(dāng)兩線的平行長度加長時(shí)(L由1.3inches變?yōu)?.6inches)，串?dāng)_顯著增大了。

由此可知，串?dāng)_電壓的大小與兩線的間距成反比，而與兩線的平行長度成正比，但卻不是完全的倍數(shù)關(guān)系。當(dāng)布線空間較小或布線密度較大時(shí)，在實(shí)際高速電路中進(jìn)行布線時(shí)，為防止高頻信號(hào)線對(duì)與其相鄰的信號(hào)線的串?dāng)_可能會(huì)導(dǎo)致門級(jí)的誤觸發(fā)，在布線資源允許的條件下，應(yīng)近可能地拉開線間距(差分線除外)并減小兩根或多根信號(hào)線的平行長度，必要時(shí)可采用固定最大平行長度推擠的布線方式(也稱jog式走線)，這樣既可以節(jié)省緊張的布線資源，又可以有效地抑制串?dāng)_，走線示意圖如圖7所示。

    
    圖7　jog式走線

    表3　兩線間距P和平行長度L取不同值時(shí)的串?dāng)_峰值

    地平面對(duì)串?dāng)_的影響
    多層PCB板一般都包括若干個(gè)信號(hào)層和若干個(gè)電源層，多個(gè)信號(hào)層和電源層是通過疊放順序來構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的微帶傳輸線和帶狀傳輸線。與微帶傳輸線和帶狀傳輸線相鄰的一般都有一個(gè)電源平面，相應(yīng)信號(hào)層與電源層之間是用電介質(zhì)填充的。這個(gè)電介質(zhì)層的厚度是影響傳輸線特性阻抗的重要因素，當(dāng)它變厚時(shí)，傳輸線特性阻抗變大，當(dāng)它變薄時(shí)，傳輸線特性阻抗變小。

    傳輸線與地平面之間的電介質(zhì)層的厚度對(duì)串?dāng)_的影響很大，對(duì)于同一布線結(jié)構(gòu)，當(dāng)電介質(zhì)層的厚度增大一倍時(shí)，串?dāng)_明顯加大。同時(shí)，對(duì)于同樣的電介質(zhì)層厚度，帶狀傳輸線的串?dāng)_要小于微帶傳輸線的串?dāng)_，由此可知，地平面對(duì)不同結(jié)構(gòu)的傳輸線的影響也是不同的。因此在高速PCB布線時(shí)，使用帶狀傳輸線比使用微帶傳獲得更好的串?dāng)_抑制效果。

    串?dāng)_的控制

    要消除串?dāng)_是不可能的，我們只能將串?dāng)_控制在可以容忍的范圍內(nèi)。因此我們在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)可以采取下列辦法：

    ①如果布線空間允許的話，增加線與線之間的間距；②計(jì)疊層時(shí)，在滿足阻抗要求的條件下，減少信號(hào)層與地層之間的高度；③把關(guān)鍵的高速信號(hào)設(shè)計(jì)成差分線對(duì)，如高速系統(tǒng)時(shí)鐘；④如果兩個(gè)信號(hào)層是鄰近的，布線時(shí)按正交方向進(jìn)行布線，以減少層與層之間的耦合；⑤將高速信號(hào)線設(shè)計(jì)成帶狀線或嵌入式微帶線；⑥走線時(shí)，減少并行線長度，可以以jog方式布線；⑦在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的情況下，盡量使用低速器件。