高速PCB設計串擾分析及其最小化

1.引言隨著產(chǎn)品功能的日益復雜和性能的提高，印刷的密度和其相關器件的頻率都不斷攀升，保持并提高系統(tǒng)的速度與性能成為設計者面前的一個重要課題。信號頻率變高，邊沿變陡，印刷的尺寸變小，布線密度加大等都使得串擾在高速PCB設計中的影響顯著增加。串擾問題是客觀存在，但超過一定的界限可能引起電路的誤觸發(fā)，導致系統(tǒng)無法正常工作。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?shù)姆椒?，使串擾產(chǎn)生的負面影響最小化。2.高頻數(shù)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上傳播時，相鄰信號之間由于電磁場的相互耦合而產(chǎn)生的不期望的噪聲電壓信號，即能量由一條線耦合到另一條線上。為便于分析，我們依照離散式等效模型來描述兩個相鄰傳輸線的串擾模型，傳輸線AB和CD的特性阻抗為Z0，且終端匹配電阻R=Z0。如果位于A 點的驅(qū)動源為干擾源，則A—B間的線網(wǎng)稱為干擾源網(wǎng)絡(Aggressor line)，C—D之間的線網(wǎng)被稱為被干擾網(wǎng)絡(Victim line)，被干擾網(wǎng)絡靠近干擾源網(wǎng)絡的驅(qū)動端的串擾稱為近端串擾(也稱后向串擾)，而靠近干擾源網(wǎng)絡接收端方向的串擾稱為遠端串擾(也稱前向串擾)。串擾主要源自兩相鄰導體之間所形成的互感Lm和互容Cm。2.1容性耦合互容是產(chǎn)生串擾的另一個機制?；ト軨m會對被干擾網(wǎng)絡產(chǎn)生一個感應電流，該電流正比于干擾網(wǎng)絡上電壓的變化速率，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似，區(qū)別在于耦合的極性。互容耦合的前向和后向干擾能量的極性都是正的。2.2感性耦合先只考慮互感Lm引起的感性耦合。線路A到B上傳輸?shù)男盘柕拇艌鲈诰€路C到D上感應出電壓，磁耦合的作用類似一個變壓器，由于這是個分布式的傳輸線，所以互感也變成一連串的變壓器分布在兩個相鄰的并行傳輸線上。當一個電壓階躍信號從A移動到B，每個分布在干擾線上的變壓器會依序感應一個干擾尖脈沖出現(xiàn)在被干擾網(wǎng)絡上?；ジ性诒桓蓴_網(wǎng)絡上疊加的這個電壓噪聲，其大小跟干擾網(wǎng)絡上驅(qū)動電流的變化成正比。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，沿著傳輸線CD分別往C和D點行進。往C方向的前向干擾能量，是和入射電壓及每個互感分量Lm成正比，因為所有前向干擾能量幾乎同時抵達C點，所以前向干擾能量與兩傳輸線的互感總量成正比，傳輸線平行的長度越長，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點的后向干擾能量與往C點的前向干擾能量不同的是，雖然兩者耦合的總區(qū)域是一樣的，但每個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間長達2Tp(Tp為傳播延時)，隨著線路平行長度的延長 (即互感增加)，后向串擾的幅度大小是不會變化的，而持續(xù)時間會增加。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。其中，Z0，C，l，Cm，Lm，L，V0分別為傳輸線的特征阻抗、單位長度電容、單位長度電感，兩傳輸線之間耦合電容、耦合電感，兩傳輸線平行長度和電壓峰值。由以上兩式，我們可以看出遠端串擾總噪聲由于容性和感性耦合的極性關系而相互消減，即遠端串擾是可以消除的。在PCB布線中，帶狀線(Stripline) 電路更能夠顯示感性和容性耦合之間很好的平衡，其前向耦合能量極??；而對于微帶線(Microstfip)，與串擾相關的電場大部分穿過的是空氣，而不是其它的絕緣材料，因此容性串擾比感性串擾小，導致其前向耦合是一個小的負數(shù)。這也就是通常設計中，常忽略遠端串擾的干擾，而較著重于近端串擾改善的原因。在實際設計中，PCB的有關參數(shù)(如厚度，介電常數(shù)等)以及線長、線寬、線距、傳輸線與地平面的位置和電流流向都會影響c、l、Cm、Lm、L、的大小，而信號頻率和器件的上升/下降時間決定了 。在這里我們不做這些參數(shù)對串擾影響的定量分析，有關這些參數(shù)的相互關系及對串擾影響的程度。2.4串擾的變化趨勢互感與互容的大小影響著串擾的大小，從而等價地改變傳輸線特征阻抗與傳播速度。同樣，傳輸線的幾何形狀在很大程度上影響著互感與互容的變化，因此傳輸線本身的特征阻抗對這些參數(shù)也有影響。在同一介質(zhì)中，相對低阻抗的傳輸線與參考平面(地平面)間的耦合更加強烈，相對地與鄰近傳輸線的耦合就會弱一些，因而低阻抗傳輸線對串擾引起的阻抗變化更小一些。3 串擾導致的幾種影響在高速、高密度PCB設計中一般提供一個完整的接地平面，從而使每條信號線基本上只和它最近的信號線相互影響，來自其它較遠信號線的交叉耦合是可以忽略的。盡管如此，在模擬系統(tǒng)中，大功率信號穿過低電平輸入信號或當信號電壓較高的元件(如TTL)與信號電壓較低的元件(如ECL)接近時，都需要非常高的抗串擾能力。在PCB設計中，如果不正確處理，串擾對高速PCB的信號完整性主要有以下兩種典型的影響。3.1串擾引起的時序延時在數(shù)字設計中，時序問題是一個重要考慮的問題。圖5顯示了由串擾噪聲引起的時序問題。圖下半部分是干擾源網(wǎng)絡產(chǎn)生的兩種噪聲脈沖(Helpful圖5串擾噪聲導致的延時glitch和Unhelpful glitch)，當噪聲脈沖(helpful glitch)疊加到被干擾網(wǎng)絡，就引起被干擾網(wǎng)絡信號傳輸延時減少；同樣，當噪聲脈沖(Unhelpful glitch)疊加到被干擾網(wǎng)絡時，就增加了被干擾網(wǎng)絡正常傳輸信號的延時。盡管這種減少網(wǎng)絡傳輸延時的串擾噪聲對改善PCB時序是有幫助的，但在實際 PCB設計中，由于干擾源網(wǎng)絡的不確定性，這種延時是無法控制的，因而對這種串擾引起的延時必須要加以抑制。3.2串擾引起的誤觸發(fā)信號串擾是高速設計所面臨的信號完整性問題中一個重要內(nèi)容，由串擾引起的數(shù)字電路功能錯誤是最常見的一種。一種典型的由串擾脈沖引起的相鄰網(wǎng)絡錯誤邏輯的傳輸。干擾源網(wǎng)絡上傳輸?shù)男盘柾ㄟ^耦合電容，在被干擾網(wǎng)絡和接收端引起一個噪聲脈沖，結果導致一個不希望的脈沖發(fā)送到接受端。如果這個脈沖強度超過了接收端的觸發(fā)值，就會產(chǎn)生無法控制的觸發(fā)脈沖，引起下一級網(wǎng)絡的邏輯功能混亂。4.串擾最小化串擾在高速高密度的PCB設計中普遍存在，串擾對系統(tǒng)的影響一般都是負面的。為減少串擾，最基本的就是讓干擾源網(wǎng)絡與被干擾網(wǎng)絡之間的耦合越小越好。在高密度復雜PCB設計中完全避免串擾是不可能的，但在系統(tǒng)設計中設計者應該在考慮不影響系統(tǒng)其它性能的情況下，選擇適當?shù)姆椒▉砹η蟠當_的最小化。結合上面的分析，解決串擾問題主要從以下幾個方面考慮：在布線條件允許的條件下，盡可能拉大傳輸線間的距離；或者盡可能地減少相鄰傳輸線間的平行長度(累積平行長度)，最好是在不同層間走線。相鄰兩層的信號層(無平面層隔離)走線方向應該垂直，盡量避免平行走線以減少層間的串擾。在確保信號時序的情況下，盡可能選擇轉換速度低的器件，使電場與磁場的變化速率變慢，從而降低串擾。在設計層疊時，在滿足特征阻抗的條件下，應使布線層與參考平面(電源或地平面)間的介質(zhì)層盡可能薄，因而加大了傳輸線與參考平面間的耦合度，減少相鄰傳輸線的耦合。由于表層只有一個參考平面，表層布線的電場耦合比中間層的要強，因而對串擾較敏感的信號線盡量布在內(nèi)層。通過端接，使傳輸線的遠端和近端終端阻抗與傳輸線匹配，可大大減小串擾的幅度。5.結束語數(shù)字系統(tǒng)設計已經(jīng)進入了一個新的階段。許多過去處于次要地位的高速設計問題，現(xiàn)在已經(jīng)對于系統(tǒng)性能具有關鍵的影響。包括串擾在內(nèi)的信號完整性問題帶來了設計觀念、設計流程及設計方法的變革。面對新的挑戰(zhàn)，對于串擾噪聲而言，最關鍵的就是找出那些對系統(tǒng)正常運行真正有影響的網(wǎng)絡，而不是盲目的對所有網(wǎng)絡進行串擾噪聲的抑制，這也是和有限的布線資源相矛盾的。本文所討論的串擾問題對于高速高密度電路設計中解決串擾問題具有十分重要的意義。