高速高密度電路設(shè)計(jì)串?dāng)_分析

1.引言

　　隨著電子產(chǎn)品功能的日益復(fù)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(tǒng)的速度與性能成為設(shè)計(jì)者面前的一個(gè)重要課題。信號(hào)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?dāng)_在高速PCB設(shè)計(jì)中的影響顯著增加。串?dāng)_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(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。設(shè)計(jì)者必須了解串?dāng)_產(chǎn)生的機(jī)理，并且在設(shè)計(jì)中應(yīng)用恰當(dāng)?shù)姆椒?，使串?dāng)_產(chǎn)生的負(fù)面影響最小化。

　　2.高頻數(shù)字信號(hào)串?dāng)_的產(chǎn)生及變化趨勢(shì)

　　串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線(xiàn)上傳播時(shí)，相鄰信號(hào)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(hào)，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?dāng)_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(qū)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(qū)動(dòng)端的串?dāng)_稱(chēng)為近端串?dāng)_(也稱(chēng)后向串?dāng)_)，而靠近干擾源網(wǎng)絡(luò)接收端方向的串?dāng)_稱(chēng)為遠(yuǎn)端串?dāng)_(也稱(chēng)前向串?dāng)_)。串?dāng)_主要源自?xún)上噜弻?dǎo)體之間所形成的互感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?shù)男盘?hào)的磁場(chǎng)在線(xiàn)路C到D上感應(yīng)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(dāng)一個(gè)電壓階躍信號(hào)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(yīng)一個(gè)干擾尖脈沖出現(xiàn)在被干擾網(wǎng)絡(luò)上。互感在被干擾網(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(qū)動(dòng)電流的變化成正比。由互感產(chǎn)生的噪聲計(jì)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(yīng)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(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?yàn)樗星跋蚋蓴_能量幾乎同時(shí)抵達(dá)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(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(qū)域是一樣的，但每個(gè)互感變壓器所感應(yīng)的干擾分量是依序到達(dá)D，后向干擾能量的有效時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2Tp(Tp為傳播延時(shí))，隨著線(xiàn)路平行長(zhǎng)度的延長(zhǎng) (即互感增加)，后向串?dāng)_的幅度大小是不會(huì)變化的，而持續(xù)時(shí)間會(huì)增加。

　　2.2容性耦合

　　互容是產(chǎn)生串?dāng)_的另一個(gè)機(jī)制?；ト軨m會(huì)對(duì)被干擾網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)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(jì)算公式為：

　　分布式耦合電容的耦合機(jī)制和分布式電感耦合相類(lèi)似，區(qū)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(yīng)

　　通常，容性串?dāng)_和感性串?dāng)_是同時(shí)發(fā)生的。由文獻(xiàn)[1]，我們可以分別得到近端和遠(yuǎn)端的總串?dāng)_的計(jì)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?dāng)_總噪聲為：

　　遠(yuǎn)端串?dāng)_總噪聲為：