導(dǎo)讀：設(shè)計人員必須小心的規(guī)劃 PCB 的高速串行信號走線，以便盡可能減少線對間串?dāng)_，防止信道傳輸對數(shù)據(jù)造成破壞，本文介紹了優(yōu)化信號布線以顯著減少串?dāng)_的方法。
I.序言
如今，各種便攜式計算設(shè)備都應(yīng)用了密集的印刷電路板（PCB）設(shè)計，并使用了多個高速數(shù)字通信協(xié)議，例如 PCIe、USB 和 SATA,這些高速數(shù)字協(xié)議支持高達 Gb 的數(shù)據(jù)吞吐速率并具有數(shù)百毫伏的差分幅度。
入侵（aggressor）信號與受害（victim）信號出現(xiàn)能量耦合時會產(chǎn)生串?dāng)_，表現(xiàn)為電場或磁場干擾。電場通過信號間的互電容耦合，磁場則通過互感耦合。
方程式（1）和（2）分別是入侵信號對受害信號的感應(yīng)電壓和電流計算公式，方程式（3）和（4）分別是入侵信號和受害信號之間的互電容和互電感計算公式。
圖中文字中英對照
nduced voltage on victim :受害信號的感應(yīng)電壓
mutual inductance between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的互電感
transient edge rate of current due to aggressor :受入侵信號影響的瞬態(tài)電流邊沿速率
induced current on victim :受害信號的感應(yīng)電流
mutual capacitance between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的互電容
dielectric permittivity :介電常數(shù)
overlapped conductive area between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的重疊導(dǎo)電區(qū)域
distance between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的距離
transient edge rate of voltage due to aggressor :受入侵信號影響的瞬態(tài)電壓邊沿速率
如方程式（1）、（2）、（3）和（4）所示，距離增加時，受害信號和入侵信號之間的電感和電容耦合降低。然而，由于必須滿足便攜計算設(shè)備設(shè)計緊湊的要求，PCB 的尺寸有限，增加線間空隙的難度很大。
微帶線收發(fā)交叉布線和帶狀線收發(fā)非交叉布線的方法可緩解串?dāng)_或耦合問題。
圖1 交叉布線（transmitted pair:發(fā)射對；received pair:接收對）
圖2 非交叉布線（transmitted pair:發(fā)射對；received pair:接收對）
當(dāng)遠端串?dāng)_（FEXT）遠大于近端串?dāng)_（NEXT）時適用交叉模式。相反，當(dāng)近端串?dāng)_遠大于遠端串?dāng)_時適用非交叉布線。近端串?dāng)_表示受害網(wǎng)絡(luò)鄰近入侵信號發(fā)射機而造成的串?dāng)_，遠端串?dāng)_表示受害網(wǎng)絡(luò)鄰近入侵信號接收機而造成的串?dāng)_。通過分析入侵信號和受害信號這兩個緊密耦合信號的 S 參數(shù)與瞬態(tài)響應(yīng)，我們可以對比微帶線和帶狀線的遠端串?dāng)_和近端串?dāng)_
II. 仿真
圖3 和圖4 分別是 ADS 中的 S 參數(shù)和瞬態(tài)分析仿真模型。圖3 中，100Ω差分阻抗和3 英寸長的受害信號和入侵網(wǎng)絡(luò)信號線對的單模 S 參數(shù)通過數(shù)學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘帜Ｊ?。端? 和端口2 分別表示入侵信號對的輸入和輸出端口，而端口3 和端口4 分別表示受害網(wǎng)絡(luò)信號對的輸入和輸出端口。入侵信號和受害信號的線對間空隙設(shè)置為8 mil（1 倍布線寬度）。
圖 4 中，中間的傳輸線表示受害網(wǎng)絡(luò)信號對，傳輸線兩端均端接電阻。在受害網(wǎng)絡(luò)信號對上方和下方的傳輸線中分別注入具有 30ps 邊沿速率的方波，以作為入侵信號。
圖3:S 參數(shù)仿真模型（coupled pairs:耦合對）
圖4:瞬態(tài)分析仿真模型（coupled pairs:耦合對）
差分 S 參數(shù) Sdd31 表示近端串?dāng)_，Sdd41 表示遠端串?dāng)_。Sdd31 定義為端口3（受害網(wǎng)絡(luò)信號輸入端）感應(yīng)電壓相對于端口1（入侵網(wǎng)絡(luò)信號輸入端）入射電壓的增益比，而 Sdd41 定義為端口4（受害網(wǎng)絡(luò)信號輸出端）感應(yīng)電壓相對于端口1（入侵網(wǎng)絡(luò)信號輸入端）入射電壓的增益比。
圖5 和圖6 是耦合微帶線和帶狀線對的仿真 S 參數(shù)。圖5 顯示，Sdd31 低于 Sdd41,表明使用微帶線進行布線的 Sdd41 或遠端串?dāng)_增益高于 Sdd31 或近端串?dāng)_；圖6 顯示，使用帶狀線進行布線的 Sdd31 增益高于 Sdd41.
圖5:仿真微帶線 Sdd31和 Sdd41（FEXT:遠端串?dāng)_；NEXT:近端串?dāng)_）
圖6:仿真帶狀線 Sdd31和 Sdd41（FEXT:遠端串?dāng)_；NEXT:近端串?dāng)_）
圖7 和 圖8 分別是耦合微帶線和帶狀線對的遠端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域瞬態(tài)響應(yīng)仿真。如圖7 所示，當(dāng)入侵線信號瞬態(tài)上升或下降時，微帶線布線的受害線的遠端感應(yīng)電壓峰值（0.3V）遠大于近端峰值（0.05V）；圖8帶狀線仿真顯示，受害信號線的遠端感應(yīng)電壓峰值與近端相當(dāng)（0.05V）。受害信號的誤觸發(fā)或感應(yīng)峰值會增加接收機集成電路（IC）噪聲裕量超限幾率，進而增加比特誤差率（BER）。
圖7:微帶線遠端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域響應(yīng)仿真（Waveform:波形；Aggressor:入侵信號）
圖8:帶狀線遠端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域響應(yīng)仿真（Waveform:波形；Aggressor:入侵信號）
為了盡可能降低緊密耦合線對之間的串?dāng)_，微帶線采用收發(fā)交叉布線而帶狀線應(yīng)用收發(fā)非交叉布線是一個更好的選擇。
III. 原型 PCB 測量
為了驗證仿真結(jié)果與實際測量的關(guān)聯(lián)性，我們需要制作原型 PCB.圖9 和 圖10 是耦合微帶線和帶狀線的 S 參數(shù)測量結(jié)果。如圖9 所示，近端串?dāng)_低于遠端串?dāng)_；圖10 中，遠端串?dāng)_低于近端串?dāng)_。
圖9:微帶線的 S 參數(shù)測量結(jié)果
圖10:帶狀線的 S 參數(shù)測量結(jié)果
圖11 和 圖12 分別是耦合微帶線和帶狀線對的遠端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域瞬態(tài)響應(yīng)測量結(jié)果。圖11 中，入侵線的信號瞬態(tài)上升或下降時，受害線的遠端感應(yīng)電壓峰值（0.3V）遠大于近端峰值（0.1V）；圖12 中，受害線的遠端感應(yīng)電壓峰值與近端峰值相當(dāng)（0.1V）。
圖 11:微帶線遠端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域響應(yīng)測量結(jié)果（nsec:納秒）
圖 12:帶狀線遠端串?dāng)_和近端串?dāng)_時域響應(yīng)測量結(jié)果（nsec:納秒）
IV. 總結(jié)
S 參數(shù)和時域瞬態(tài)響應(yīng)的分析結(jié)果顯示：采用微帶線收發(fā)交叉布線和帶狀線非交叉布線方案可以最大限度地減少串?dāng)_。要實現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)速率，PCB 設(shè)計必須優(yōu)化信號布線，以確保卓越的信號質(zhì)量。
0次
下載文檔
