高速PCB設(shè)計(jì)中的串?dāng)_分析與控制研究

中心論題：

• 1、分析串?dāng)_信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理

• 2、分析串?dāng)_的幾個(gè)重要特性

• 3、說(shuō)明在PCB設(shè)計(jì)時(shí)如何控制串?dāng)_

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解決方案：

• 將串?dāng)_控制在可容忍范圍

• 在電流流向、信號(hào)源與邊緣翻轉(zhuǎn)速率、線間距P與兩線平行長(zhǎng)度L、地平面等方面控制串?dāng)_。

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(shì)，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(cè)、互聯(lián)規(guī)劃、電氣規(guī)則約束的互聯(lián)綜合，以及專(zhuān)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(wèn)題提供了可能。這里將討論分析信號(hào)完整性問(wèn)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(guò)大的串?dāng)_可能引起電路的誤觸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。如圖1的電路，AB之間的門(mén)電路稱(chēng)為干擾源網(wǎng)絡(luò)(Aggressor Line)，CD之間的門(mén)電路稱(chēng)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(lèi)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(guò)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(chǎng)在被干擾對(duì)象上引起感應(yīng)電壓(V)通過(guò)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

a 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(lái)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(shuō)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?/span>

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。

b 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(jiàn)表2，信號(hào)頻率不同時(shí)的串?dāng)_波形見(jiàn)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(jiàn)，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(lái)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(shuō)明此時(shí)容性耦合已經(jīng)超過(guò)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(lái)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(lái)越廣泛，因此對(duì)于這類(lèi)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(guò)大的串?dāng)_產(chǎn)生。