高速PCB設(shè)計中的串擾分析與控制研究

　　當今飛速發(fā)展的電子設(shè)計領(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，保持并提高系統(tǒng)的速度與性能成為擺在設(shè)計者面前的一個重要課題。EDA技術(shù)已經(jīng)研發(fā)出一整套高速PCB和電路板級系統(tǒng)的設(shè)計分析工具和方法學，這些技術(shù)涵蓋高速電路設(shè)計分析的方方面面：靜態(tài)時序分析、信號完整性分析、EMI/EMC設(shè)計、地彈反射分析、功率分析以及高速布線器。同時還包括信號完整性驗證和Sign-Off，設(shè)計空間探測、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完整性問題提供了可能。這里將討論分析信號完整性問題中的信號串擾及其控制的方法。

　　串擾信號產(chǎn)生的機理

　　串擾是指一個信號在傳輸通道上傳輸時，因電磁耦合而對相鄰的傳輸線產(chǎn)生不期望的影響，在被干擾信號表現(xiàn)為被注入了一定的耦合電壓和耦合電流。過大的串擾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擾。

　　圖1　串擾的干擾源網(wǎng)絡(luò)和被干擾網(wǎng)絡(luò)

　　信號在傳輸通道上傳輸對相鄰的傳輸線上引起兩類不同的噪聲信號：容性耦合信號與感性耦合信號，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

　　串擾的幾個重要特性分析

　　電流流向?qū)Υ當_的影響

　　串擾是具有方向的，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仿真。第一種情況是干擾源線網(wǎng)與被干擾對象線網(wǎng)的電流流向相同，第二種情況是干擾源線網(wǎng)與被干擾對象線網(wǎng)的電流流向相反(即位于B點的為驅(qū)動源，而位于A點的為負載)。AB和CD線網(wǎng)都加入20MHz的信號，表1給出了遠端D點的串擾峰值，串擾的波形仿真結(jié)果如圖4所示。

　　表1　電流流向不同時的串擾峰值

　　由仿真結(jié)果可知，電流流向為反向時的遠端串擾峰值(357.6mm)要大于電流流向為同向時的遠端口串擾峰值(260.5)。同時由圖4可以看到，當干擾源的電流流向改變后，被干擾源的串擾極性也改變了。這說明串擾的大小和極性與相應(yīng)干擾源上信號的電流流向有關(guān)的。

　　(a)電流為同向時的串擾波形

　　(b)電流為反向時的串擾波形

　　圖4　電流流向?qū)Ψ逯档挠绊?/P>

　　遠端D點串擾一般大于近端C點串擾，因此在串擾抑制中，D點的遠端串擾通常被作為考察線網(wǎng)峰值串擾電壓大小的重點考慮的因素。

　　信號源頻率與邊緣翻轉(zhuǎn)速率

　　干擾源信號頻率越高，被干擾對象上的串擾幅值越大，我們對圖1中干擾源網(wǎng)絡(luò)AB上的信號頻率f1分別取不同頻率值時，對被干擾對象上的串擾進行了仿真，仿真結(jié)果見表2，信號頻率不同時的串擾波形見圖5，標記為“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的串擾峰值

　　由仿真結(jié)果可見，被干擾對象上的串擾電壓與干擾源信號的頻率取值成正比，當干擾源頻率大100MHz時，必須采取必要的措施來抑制串擾。同時，由圖5還可以看出，當干擾源頻率大到500MHz時的波形，明顯看出被干擾對象的近端C點的串擾已經(jīng)大于其遠端D點的串擾，這說明此時容性耦合已經(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端串擾，而且需要謹慎處理經(jīng)常容易被忽略的近端串擾。

　　另外，我們來分析另一項對串擾影響極大的因素，它就是信號的邊緣翻轉(zhuǎn)速率，在數(shù)字電路中，除了信號頻率對串擾有較大影響外，信號的邊緣翻轉(zhuǎn)速率(上升沿和下降沿)對串擾的影響更大，邊沿變化越快，串擾越大。由于在現(xiàn)代高速數(shù)字電路的設(shè)計中，具有較大的邊緣翻轉(zhuǎn)速率的器件的應(yīng)用越來越廣泛，因此對于這類器件，即使其信號頻率不高，在布線時也應(yīng)認真對待以防止過大的串擾產(chǎn)生。

　　(a)被干擾對象的還端串擾波形

　　(b)被干擾對象的遠端串擾波形

　　圖5　信號頻率不同時的串擾波形

　　(a)被干擾對象的還端串擾波形

　　(b)被干擾對象的遠端串擾波形

　　圖6　為兩線間距P和平行長度L取不同值時串擾波形

　　線間距P與兩線平行長度L對串擾大小的影響

　　對于圖1所示的兩線系統(tǒng)，我們進行了三種情況的仿真(線網(wǎng)AB上的信號頻率均為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，探測被干擾對象的串擾(標記“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，然后探測被干擾對象的串擾標記“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標記“3”，然后探測被干擾對象的串擾。由仿真結(jié)果可見，當兩線的間距拉大時(P由5mils變?yōu)?0mils)，串擾明顯地減小了，而當兩線的平行長度加長時(L由1.3inches變?yōu)?.6inches)，串擾顯著增大了。

　　由此可知，串擾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。當布線空間較小或布線密度較大時，在實際高速電路中進行布線時，為防止高頻信號線對與其相鄰的信號線的串擾可能會導(dǎo)致門級的誤觸發(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線的平行長度，必要時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擾，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取不同值時的串擾峰值

　　地平面對串擾的影響

　　多層PCB板一般都包括若干個信號層和若干個電源層，多個信號層和電源層是通過疊放順序來構(gòu)成標準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電源平面，相應(yīng)信號層與電源層之間是用電介質(zhì)填充的。這個電介質(zhì)層的厚度是影響傳輸線特性阻抗的重要因素，當它變厚時，傳輸線特性阻抗變大，當它變薄時，傳輸線特性阻抗變小。

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

　　串擾的控制

　　要消除串擾是不可能的，我們只能將串擾控制在可以容忍的范圍內(nèi)。因此我們在進行PCB設(shè)計時可以采取下列辦法：

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