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高速PCB設(shè)計串?dāng)_分析

發(fā)布時間:2016-07-07 08:20:32 分類:資料中心

 串?dāng)_是指當(dāng)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。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)計者面前的一個重要課題。信號頻率變高,邊沿變陡,PCB尺寸變小,布線密度加大等都使得串?dāng)_在高速PCB設(shè)計中的影響顯著增加。串?dāng)_問題是客觀存在的,但超過一定的界限可能引起電路的誤觸發(fā),導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。設(shè)計者必須了解串?dāng)_產(chǎn)生的原理,并且在設(shè)計中應(yīng)用恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ勾當(dāng)_產(chǎn)生的負(fù)面影響小化。

  
  高速PCB設(shè)計中的串繞既可以是由互電感產(chǎn)生的磁場耦合引起的,也可以是由互電容產(chǎn)生的電場耦合引起的。圖1是兩種耦合傳輸線串?dāng)_的模型,其中近端串?dāng)_是指在被干擾線上靠近干擾線驅(qū)動器的串?dāng)_,遠(yuǎn)端串?dāng)_是指被干擾線上靠近干擾線接收端的串?dāng)_。
  
  磁場(感性)和電場(容性)串?dāng)_模型圖
  
  感性耦合是由于干擾源上的電流變化產(chǎn)生的磁場在被干擾對象上引起感應(yīng)電壓從而導(dǎo)致的干擾。圖1中線路ab上傳輸信號的磁場在線路cd上感應(yīng)出電壓,可以把干擾線看作變壓器的一次側(cè),把被干擾線看作變壓器的二次側(cè),被干擾線產(chǎn)生的電流在近端負(fù)載電阻和遠(yuǎn)端負(fù)載電阻中流動。由互感耦合引起的各點波形如圖2(a)所示,圖2中Tp為傳輸線的延遲時間,Tr為驅(qū)動信號的上升時間。由圖2(a)可知遠(yuǎn)端耦合產(chǎn)生一個負(fù)脈沖,其脈沖寬度為Tr,近端耦合存2TP時間展開,其幅度不變,但它們耦合串?dāng)_的總面積相等。串?dāng)_耦合總面積大小與LM(dIs/dt)、耦合長度成正比。
  
  容性耦合是由于干擾源上的電壓變化在被干擾對象上引起感應(yīng)電流從而導(dǎo)致的干擾。由互容耦合引起的各點波形如圖2(b)所示,與互感耦合不同的地方是遠(yuǎn)端耦合為正脈沖。其耦合串?dāng)_面積大小與CM[(dv/dt)、耦合長度成正比。
  
  感性與容性共同耦合的串?dāng)_,實質(zhì)是兩種耦合串?dāng)_疊加的結(jié)果。由圖2可知,電感耦合和電容耦合串?dāng)_都試圖在近端d加強它們的效果(它們在d點的極性相同),而在遠(yuǎn)端c試圖抵消彼此的效果(它們在c點的極性相反)。近端串?dāng)_脈沖的幅度大小是常數(shù),而脈沖寬度由耦合區(qū)域表示的傳播時間Tp的2倍。遠(yuǎn)端脈沖的寬度大約為干擾線上脈沖的上升時間Tr,幅度大小隨著耦合長度的增大而加大。正常條件下,在一個完整平面上,感性和容性的串?dāng)_電壓大小基本相等,在PCB線路中帶狀線電路具有很好的感性和容性耦合平衡性,其遠(yuǎn)端串?dāng)_小;對于微帶線路,與串?dāng)_相關(guān)的電場大部分穿過空氣,而不是其他的絕緣材料,因此容性串?dāng)_比感性串小,導(dǎo)致其遠(yuǎn)端耦合是一個負(fù)數(shù)。如果串?dāng)_是主要面對的問題,那么就把所有的敏感走線都布置成帶狀線。
  
  互感和互容耦合串?dāng)_波形圖
  
  串?dāng)_對系統(tǒng)的影響一般都是負(fù)面的,在高密度復(fù)雜PCB設(shè)計中不可能完全避免串?dāng)_。為減少串?dāng)_,基本的就是讓干擾源網(wǎng)絡(luò)與被干擾網(wǎng)絡(luò)之間的耦合越小越好。我們在系統(tǒng)設(shè)計中就應(yīng)該在考慮不影響系統(tǒng)其它性能的情況下,選擇適當(dāng)?shù)姆椒▉砹η蟠當(dāng)_的小化。結(jié)合上面的分析,解決串?dāng)_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),好是在不同層間走線;
  
  在確保信號時序的情況下,盡可能選擇轉(zhuǎn)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?dāng)_;
  
  相鄰兩層的信號層(無平面層隔離)走線方向應(yīng)該垂直,盡量避免平行走線以減少層間的串?dāng)_;
設(shè)計層疊時,在滿足特征阻抗的條件下,應(yīng)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?dāng)_較敏感的信號線盡量布在內(nèi)層;
  
  通過端接,使傳輸線的遠(yuǎn)端和近端終端阻抗與傳輸線匹配,可大大減小串?dāng)_的幅度。
  
  串?dāng)_在高速PCB線路設(shè)計中是一個不可忽視的問題,正越來越受到關(guān)注。基于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)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(shè)計問題,現(xiàn)在已經(jīng)對于系統(tǒng)性能具有關(guān)鍵的影響。包括串?dāng)_在內(nèi)的信號完整性問題帶來了設(shè)計觀念、設(shè)計流程及設(shè)計方法的變革。面對新的挑戰(zhàn),對于串?dāng)_噪聲而言,關(guān)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(luò),而不是盲目的對所有網(wǎng)絡(luò)進行串?dāng)_噪聲的抑制,這也是和有限的布線資源相矛盾的。
來源:高速PCB設(shè)計串?dāng)_分析

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