本文主要介紹串?dāng)_的概念,及其FEXT、NEXT等,以及串?dāng)_的消除措施。
串?dāng)_串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí),因電磁耦合對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲干擾。這種干擾是由于兩條信號(hào)線間的耦合,即信號(hào)線之間互感和互容耦合引起的。容性耦合(當(dāng)干擾源產(chǎn)生的干擾是以電壓形式出現(xiàn)時(shí),干擾源與信號(hào)電路之間就存在容性(電場(chǎng))耦合,這時(shí)干擾電壓線電容耦合到信號(hào)電路,形成干擾源)引發(fā)耦合電流,而感性耦合(當(dāng)干擾源是以電流形式出現(xiàn)的,此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)互感耦合對(duì)鄰近信號(hào)形成干擾)則產(chǎn)生耦合電壓。由于自身的邏輯電平發(fā)生變化,對(duì)其他信號(hào)產(chǎn)生影響的信號(hào)線稱(chēng)為“攻擊線”(Aggressor),即干擾線。受到影響而導(dǎo)致自身邏輯電平發(fā)生異常的信號(hào)連線我們稱(chēng)為“受害線”(Victim),即被干擾線。串?dāng)_噪聲從干擾對(duì)象上通過(guò)交叉耦合到被干擾對(duì)象上,表現(xiàn)為在一根信號(hào)線上有信號(hào)通過(guò)時(shí),在PCB板上與之相鄰的信號(hào)線上就會(huì)感應(yīng)出相關(guān)的信號(hào)。
串?dāng)_由一條線到另一條線的能量耦合的方式主要分為電場(chǎng)(electric field)和磁場(chǎng)(magnetic field)。由于走線之間存在著互容(Mutual capacitance)和互感(Mutual inductance),一條走線上的AC信號(hào)便會(huì)從這些分布的互容和互感傳遞到另一根被干擾線(victim net)上。串?dāng)_可分為容性耦合串?dāng)_和感性耦合串?dāng)_兩類(lèi)。
靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)靠近干擾源一端的串?dāng)_稱(chēng)為近端串?dāng)_(也稱(chēng)后向串?dāng)_NEXT),而遠(yuǎn)離干擾源一端的串?dāng)_稱(chēng)為遠(yuǎn)端串?dāng)_(或稱(chēng)前向串?dāng)_FEXT)。
當(dāng)干擾源狀態(tài)變化時(shí),會(huì)在被干擾對(duì)象上產(chǎn)生一串?dāng)_脈沖,在高速系統(tǒng)中,這種現(xiàn)象很普遍。通常,依賴(lài)于干擾源和被干擾源上信號(hào)的跳變,被干擾線上產(chǎn)生四種類(lèi)型的影響:正的短時(shí)脈沖,負(fù)的短時(shí)脈沖,上升時(shí)延,下降時(shí)延,如下圖所示:
串?dāng)_的來(lái)源當(dāng)信號(hào)沿著傳輸線傳播時(shí),在信號(hào)路徑與返回路徑之間存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這些場(chǎng)的分布不僅僅限于信號(hào)和返回路徑之間的空間內(nèi),而是在周?chē)臻g延伸。我們把這些延伸出去的場(chǎng)稱(chēng)為邊緣場(chǎng)。
如果將兩導(dǎo)線的間距加大,可看到邊緣場(chǎng)的強(qiáng)度大大減弱。
第2根線處在邊緣場(chǎng)的附近時(shí),就有過(guò)多的耦合和串?dāng)_。歸根結(jié)底,邊緣場(chǎng)是引起串?dāng)_的根本原因。減小串?dāng)_最重要的方法就是使網(wǎng)絡(luò)間的間距足夠遠(yuǎn),使其邊緣場(chǎng)降低到可以接受的范圍。
在系統(tǒng)中的每?jī)蓚€(gè)網(wǎng)絡(luò)之間,總會(huì)有邊緣場(chǎng)產(chǎn)生的電感耦合和電容耦合。我們把耦合電感和耦合電容分別叫做互感和互容。
串?dāng)_的消除解決容性串?dāng)_,主要加大線間距,在PCB上的布線要遵循3W原則,即兩個(gè)傳輸線的線中心之間的距離要大于3倍的傳輸線的線寬。對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵傳輸線,可以改用差分線傳輸以減少其它傳輸線對(duì)它的串?dāng)_;也可以對(duì)關(guān)鍵線的中間加地線保護(hù)以減少串?dāng)_。
解決感性串?dāng)_,主要減小回路面積,減小互感。例如,在芯片的電源的去耦電容,通過(guò)電容提供回流通道,可以減少回路面積,減小互感。
盡可能地減少相鄰傳輸線間的平行距離(累積的平行距離),最好在不同層間走線,相鄰兩層的信號(hào)層(中間沒(méi)有平面層隔離)走線方向應(yīng)該相互正交,以減少層間的串?dāng)_。
在保證傳輸線特征阻抗的同時(shí),使布線層與參考平面(電源平面或地平面)間的介質(zhì)層盡可能的薄,這樣就加大了傳輸線與參考平面間的耦合度,從而減少相鄰傳輸線間的耦合。
在保證信號(hào)時(shí)序的情況下,盡可能選擇轉(zhuǎn)換速度低的元器件,這樣電場(chǎng)與磁場(chǎng)的變化速度慢一點(diǎn),從而降低串?dāng)_。由于信號(hào)上升時(shí)間是造成SI 問(wèn)題的主要原因,所以在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的情況下,應(yīng)該盡可能選取信號(hào)上升沿較慢的器件。
可能的話,盡量少在表層走線,走帶狀線或嵌入式微帶線,因?yàn)楸韺泳€的電場(chǎng)耦合比中間層的要強(qiáng)(表層線只有一個(gè)參考平面),內(nèi)層走線可以消除傳播速度的變化。
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