處理高速PCB設(shè)計(jì)中的串?dāng)_
處理高速PCB設(shè)計(jì)中的串?dāng)_
信號(hào)完整性測(cè)量已成為開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)過程中的關(guān)鍵步驟。信號(hào)完整性問題，例如串?dāng)_、信號(hào)衰減、地彈等，在傳輸線效應(yīng)也很關(guān)鍵的較高頻率下會(huì)增加。
EMI 上升，因?yàn)楦斓倪吘壦俣葧?huì)產(chǎn)生相對(duì)于總線長(zhǎng)度更短的波長(zhǎng)，從而產(chǎn)生意外的輻射。這些輻射會(huì)增加串?dāng)_，并可能導(dǎo)致高速PCB設(shè)計(jì)在EMI/EMC 測(cè)試期間失敗。
PCB中的串?dāng)_是什么？
PCB走線中引起的串?dāng)_
串?dāng)_是由一個(gè)PCB走線到另一條PCB走線的能量耦合引起的干擾，即使它們沒有接觸。它是由于電場(chǎng)（電容耦合）和磁場(chǎng)（電感耦合）的相互作用而發(fā)生的。磁場(chǎng)產(chǎn)生互感，電場(chǎng)產(chǎn)生附近走線間的互電容。互感負(fù)責(zé)在相鄰（受害）線上感應(yīng)電流，該電流與侵略者線上的電流相反。由于互電容而形成的電容器將在受害線上的兩個(gè)方向上通過電流。
電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合
當(dāng)兩條走線在同一層中彼此相鄰或一條在相鄰層中的另一條之上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。考慮沿同一方向運(yùn)行的兩條跡線。如果流經(jīng)一條走線的信號(hào)幅度高于另一條走線，則可能會(huì)影響流經(jīng)另一條走線的信號(hào)。在這里，具有較高幅度的軌跡將被稱為“侵略者”，而另一條軌跡則被稱為“受害者”。
在這種情況下，受害者走線中的信號(hào)將開始模仿攻擊者走線的特征阻抗，而不是傳導(dǎo)自己的信號(hào)。發(fā)生這種情況時(shí)，表示串?dāng)_已侵入系統(tǒng)。
串?dāng)_如何在系統(tǒng)中引起噪聲？
每個(gè)電信號(hào)都有不同的電磁場(chǎng)。每當(dāng)這些場(chǎng)重疊時(shí)，它們就會(huì)產(chǎn)生電感、電容或?qū)щ婑詈希瑥亩鴮?dǎo)致 EMI。
由于互電容和電感引起的串?dāng)_引起的噪聲
近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_噪聲
在受害線路的近端和遠(yuǎn)端感應(yīng)的電流會(huì)產(chǎn)生近端和遠(yuǎn)端噪聲。
近端串?dāng)_總是正的，因?yàn)?span style="box-sizing:border-box; margin:0px; padding:0px"> Cm 和 Lm 產(chǎn)生的電流總是奇數(shù)并流入節(jié)點(diǎn)。在PCB中，由于 Lm 產(chǎn)生的電流大于 Cm 產(chǎn)生的電流，因此遠(yuǎn)端串?dāng)_通常為負(fù)值。
注意： 串?dāng)_噪聲取決于受害線路的終端。
有哪些不同類型的串?dāng)_？
根據(jù)干擾線路和干擾線路上的走線路由和位置，串?dāng)_可以分類為：
1. 電容串?dāng)_：由于走線在頂部或彼此靠近而產(chǎn)生的電容效應(yīng)。
2. 電感串?dāng)_：它是由于長(zhǎng)距離平行走線之間的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的。
電感串?dāng)_有兩種類型：正向串?dāng)_和反向串?dāng)_。前向是在驅(qū)動(dòng)線路上距離驅(qū)動(dòng)器最遠(yuǎn)端觀察到的噪聲/干擾，而后向串?dāng)_是在受害線路上最近端觀察到的干擾。
受害者和攻擊者線上的前向和后向串?dāng)_描述。
2.1 近端串?dāng)_（NEXT）：在傳輸線或電纜的發(fā)射端測(cè)量。
2.2 遠(yuǎn)端串?dāng)_（FEXT）：在傳輸線或電纜的接收端測(cè)量。
NEXT 和 FEXT 是根據(jù)施加激勵(lì)的端口測(cè)量的。它可以發(fā)生在線路的任何地方，無論是雙導(dǎo)體還是單端。
差分 NEXT 和 FEXT 測(cè)量
注： NEXT 值以分貝 (dB) 表示，并隨傳輸頻率而變化。NEXT 的更高 dB 意味著更少的干擾。
3. 功率總和近端串?dāng)_ (PSNEXT)：它是三個(gè)攻擊者對(duì)的 NEXT 之和，因?yàn)樗绊懥说谒膫€(gè)受害者對(duì)。PSNEXT 給出來自所有相鄰線對(duì)的總串?dāng)_，并涉及測(cè)量與功率相關(guān)的所有線對(duì)到線對(duì)分組。
4. 等電平遠(yuǎn)端串?dāng)_（ELFEXT）： 它是涉及衰減補(bǔ)償?shù)?span style="box-sizing:border-box; margin:0px; padding:0px"> FEXT 的測(cè)量。
5. 外來串?dāng)_： 它給出了電信系統(tǒng)PCB中串?dāng)_的測(cè)量。
上述類型是測(cè)量或量化系統(tǒng)中串?dāng)_的方法。
如何測(cè)量串?dāng)_？
串?dāng)_通常指定為出現(xiàn)在受害線路上的信號(hào)相對(duì)于干擾線路的百分比。它也可以用低于驅(qū)動(dòng)線路電平的 dB 表示。NEXT 隨傳輸頻率而變化，因?yàn)楦叩念l率會(huì)產(chǎn)生更多的干擾。dB 值越高，受干擾的鏈路/信道接收到的串?dāng)_就越少。FEXT 是根據(jù)系統(tǒng)S參數(shù)的串?dāng)_元素計(jì)算得出的。
串?dāng)_的公式由下式給出：
在哪里：
K = 一個(gè)常數(shù)，其值始終小于 1，取決于電路的上升時(shí)間和經(jīng)歷串?dāng)_的走線長(zhǎng)度。
H 2 = 它是平行走線高度的乘積。
D 2 = 它是走線中心線之間的直接距離的乘積。
上述等式清楚地表明，可以通過降低 H 和最大化 D 來最小化串?dāng)_。
以 dB 為單位的串?dāng)_由下式給出：
其中，V受害者是受害線的電壓和V侵略者是在侵略線上的電壓。
影響串?dāng)_幅度的因素
攻擊者和受害者線之間的耦合度
發(fā)生耦合的距離
所用終端類型的有效性
差分對(duì)中的串?dāng)_是如何引起的？
差分對(duì)中的串?dāng)_是由共模電流引起的。
每當(dāng)微分系統(tǒng)出現(xiàn)不平衡時(shí)，場(chǎng)不再完全抵消，這導(dǎo)致它們與不平衡成比例地輻射。類似地，外部場(chǎng)可以在差分對(duì)中感應(yīng)出幅度不相等且相位相反的電流，因此它們不再抵消。產(chǎn)生的電流稱為共模電流。與差模相比，共模串?dāng)_對(duì)系統(tǒng)性能的不利影響更大。
共模和差模串?dāng)_效應(yīng)在頻率方面的比較。圖片來源：英特爾
產(chǎn)生串?dāng)_的原因有哪些？
電容和電感耦合：電容耦合是由于寄生電容，電感耦合是由于互感。
傳播速度差異：可以通過走線長(zhǎng)度匹配和傳播延遲匹配來避免。
PCB過孔： 帶有短截線的PCB過孔會(huì)產(chǎn)生反射，從而產(chǎn)生產(chǎn)生串?dāng)_的振鈴。避免這種情況的一種方法是背鉆過孔。
增加的數(shù)據(jù)速率：隨著數(shù)據(jù)速率的增加，上升時(shí)間也會(huì)增加。根據(jù)法拉第定律，隨著上升時(shí)間的增加，串?dāng)_也會(huì)增加。減少此類信號(hào)之間串?dāng)_的一種方法是增加走線之間的間距。
電路板尺寸：隨著電路板尺寸的增加，走線長(zhǎng)度也會(huì)增加，這些走線就像天線一樣。因此，盡可能縮短走線長(zhǎng)度非常重要。
它是如何最小化的？
使用隔離的傳輸線：干擾源走線會(huì)在受干擾的走線上引起串?dāng)_，因此很明顯，干擾源電壓越高，串?dāng)_就越多。因此，最好根據(jù)信號(hào)幅度將網(wǎng)絡(luò)組分開。此策略可防止較大電壓網(wǎng)絡(luò) (3.3V) 影響較小電壓網(wǎng)絡(luò) (1.5V)。
實(shí)施背鉆通孔：通孔存根會(huì)降低信號(hào)完整性，從而增加串?dāng)_。這可以通過實(shí)施背鉆來減少。
減少并行走線：更長(zhǎng)的走線（超過 500 密耳）會(huì)增加互感，從而增加串?dāng)_。
保持走線之間足夠的間隔：在走線之間提供足夠的間隔（采用 3W 規(guī)則）。如果沒有保持足夠的分離，那么它會(huì)增加互電容 (Cm)。3W 規(guī)則將串?dāng)_降低了 70%。要實(shí)現(xiàn) 98% 的串?dāng)_減少，請(qǐng)選擇 10W。
使用保護(hù)走線： 保護(hù)走線用于控制傳輸線之間的電容串?dāng)_。應(yīng)明智地使用此類走線，因?yàn)樗鼈儠?huì)使布線變得困難。
采用正交布線：正交布線 相鄰的信號(hào)層，以最大限度地減少它們之間的電容耦合。
不要減少信號(hào)上升時(shí)間： 減少信號(hào)上升時(shí)間會(huì)增加串?dāng)_。
選擇差分對(duì)布線： 緊密耦合的差分布線消除了串?dāng)_，因?yàn)閬碜愿蓴_源的噪聲平均耦合到差分對(duì)的兩個(gè)分支中，從而產(chǎn)生共模噪聲。差分對(duì)抑制有助于減少串?dāng)_的共模噪聲。
正確終止偶數(shù)和奇數(shù)模式傳輸：可以 使用三電阻網(wǎng)絡(luò)（T 終止）來終止奇數(shù)和偶數(shù)模式。
確保整個(gè)系統(tǒng)串?dāng)_不超過 150mV。
串?dāng)_如何影響傳輸線參數(shù)？
受害者線上的電磁場(chǎng)和侵略者線上的電磁場(chǎng)相互作用。反過來，它們會(huì)影響在傳輸線上傳播的阻抗和信號(hào)。這兩條線可以稱為雙導(dǎo)體系統(tǒng)，其中兩條單獨(dú)的跡線影響通過它們的信號(hào)傳播。可以考慮兩種傳播模式：偶模（兩條線同相）和奇模（線相差 180 度）。
在奇模傳輸中，兩條線之間會(huì)存在相當(dāng)大的電位差。該電位差將增加等于互電容值的有效電容。
奇模傳輸期間的場(chǎng)線。
由于兩條線路中的電流流向相反的方向，因此將通過互感 (Lm) 值減少總電感。
奇模傳輸期間的電流。
奇模傳輸線阻抗由下式給出：
注意 Z差分= 2Z奇數(shù)
奇數(shù)模式的傳輸線傳播延遲由下式給出：
在偶模傳輸中，兩條線路（受害者和攻擊者）將始終具有相同的電位。這將通過互電容值降低有效電容。
偶模傳輸期間的場(chǎng)線。
由于兩條線路中的電流流向相同的方向，因此將通過互感 (Lm) 值增加總電感。
偶數(shù)模式的傳輸線阻抗由下式給出：
偶數(shù)模式的傳輸線傳播延遲由下式給出：
無法在系統(tǒng)級(jí)減少串?dāng)_。集成的建模和表征周期可用于減輕設(shè)備或封裝級(jí)別的串?dāng)_。如果控制不當(dāng)，它可能會(huì)使您的電路板無法正常工作。即使 PCB設(shè)計(jì)人員確保走線之間的最小間隔，它可能還不足以解決相關(guān)問題。
豐樂壹博專業(yè)PCB設(shè)計(jì)、PCB Layout、PCBA一站式生產(chǎn)。
信號(hào)完整性測(cè)量已成為開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)過程中的關(guān)鍵步驟。信號(hào)完整性問題，例如串?dāng)_、信號(hào)衰減、地彈等，在傳輸線效應(yīng)也很關(guān)鍵的較高頻率下會(huì)增加。
EMI 上升，因?yàn)楦斓倪吘壦俣葧?huì)產(chǎn)生相對(duì)于總線長(zhǎng)度更短的波長(zhǎng)，從而產(chǎn)生意外的輻射。這些輻射會(huì)增加串?dāng)_，并可能導(dǎo)致高速PCB設(shè)計(jì)在EMI/EMC 測(cè)試期間失敗。
PCB中的串?dāng)_是什么？
PCB走線中引起的串?dāng)_
串?dāng)_是由一個(gè)PCB走線到另一條PCB走線的能量耦合引起的干擾，即使它們沒有接觸。它是由于電場(chǎng)（電容耦合）和磁場(chǎng)（電感耦合）的相互作用而發(fā)生的。磁場(chǎng)產(chǎn)生互感，電場(chǎng)產(chǎn)生附近走線間的互電容。互感負(fù)責(zé)在相鄰（受害）線上感應(yīng)電流，該電流與侵略者線上的電流相反。由于互電容而形成的電容器將在受害線上的兩個(gè)方向上通過電流。
電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合
當(dāng)兩條走線在同一層中彼此相鄰或一條在相鄰層中的另一條之上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。考慮沿同一方向運(yùn)行的兩條跡線。如果流經(jīng)一條走線的信號(hào)幅度高于另一條走線，則可能會(huì)影響流經(jīng)另一條走線的信號(hào)。在這里，具有較高幅度的軌跡將被稱為“侵略者”，而另一條軌跡則被稱為“受害者”。
在這種情況下，受害者走線中的信號(hào)將開始模仿攻擊者走線的特征阻抗，而不是傳導(dǎo)自己的信號(hào)。發(fā)生這種情況時(shí)，表示串?dāng)_已侵入系統(tǒng)。
串?dāng)_如何在系統(tǒng)中引起噪聲？
每個(gè)電信號(hào)都有不同的電磁場(chǎng)。每當(dāng)這些場(chǎng)重疊時(shí)，它們就會(huì)產(chǎn)生電感、電容或?qū)щ婑詈希瑥亩鴮?dǎo)致 EMI。
由于互電容和電感引起的串?dāng)_引起的噪聲
近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_噪聲
在受害線路的近端和遠(yuǎn)端感應(yīng)的電流會(huì)產(chǎn)生近端和遠(yuǎn)端噪聲。
近端串?dāng)_總是正的，因?yàn)?span style="box-sizing:border-box; margin:0px; padding:0px"> Cm 和 Lm 產(chǎn)生的電流總是奇數(shù)并流入節(jié)點(diǎn)。在PCB中，由于 Lm 產(chǎn)生的電流大于 Cm 產(chǎn)生的電流，因此遠(yuǎn)端串?dāng)_通常為負(fù)值。
注意： 串?dāng)_噪聲取決于受害線路的終端。
有哪些不同類型的串?dāng)_？
根據(jù)干擾線路和干擾線路上的走線路由和位置，串?dāng)_可以分類為：
1. 電容串?dāng)_：由于走線在頂部或彼此靠近而產(chǎn)生的電容效應(yīng)。
2. 電感串?dāng)_：它是由于長(zhǎng)距離平行走線之間的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的。
電感串?dāng)_有兩種類型：正向串?dāng)_和反向串?dāng)_。前向是在驅(qū)動(dòng)線路上距離驅(qū)動(dòng)器最遠(yuǎn)端觀察到的噪聲/干擾，而后向串?dāng)_是在受害線路上最近端觀察到的干擾。
受害者和攻擊者線上的前向和后向串?dāng)_描述。
2.1 近端串?dāng)_（NEXT）：在傳輸線或電纜的發(fā)射端測(cè)量。
2.2 遠(yuǎn)端串?dāng)_（FEXT）：在傳輸線或電纜的接收端測(cè)量。
NEXT 和 FEXT 是根據(jù)施加激勵(lì)的端口測(cè)量的。它可以發(fā)生在線路的任何地方，無論是雙導(dǎo)體還是單端。
差分 NEXT 和 FEXT 測(cè)量
注： NEXT 值以分貝 (dB) 表示，并隨傳輸頻率而變化。NEXT 的更高 dB 意味著更少的干擾。
3. 功率總和近端串?dāng)_ (PSNEXT)：它是三個(gè)攻擊者對(duì)的 NEXT 之和，因?yàn)樗绊懥说谒膫€(gè)受害者對(duì)。PSNEXT 給出來自所有相鄰線對(duì)的總串?dāng)_，并涉及測(cè)量與功率相關(guān)的所有線對(duì)到線對(duì)分組。
4. 等電平遠(yuǎn)端串?dāng)_（ELFEXT）： 它是涉及衰減補(bǔ)償?shù)?span style="box-sizing:border-box; margin:0px; padding:0px"> FEXT 的測(cè)量。
5. 外來串?dāng)_： 它給出了電信系統(tǒng)PCB中串?dāng)_的測(cè)量。
上述類型是測(cè)量或量化系統(tǒng)中串?dāng)_的方法。
如何測(cè)量串?dāng)_？
串?dāng)_通常指定為出現(xiàn)在受害線路上的信號(hào)相對(duì)于干擾線路的百分比。它也可以用低于驅(qū)動(dòng)線路電平的 dB 表示。NEXT 隨傳輸頻率而變化，因?yàn)楦叩念l率會(huì)產(chǎn)生更多的干擾。dB 值越高，受干擾的鏈路/信道接收到的串?dāng)_就越少。FEXT 是根據(jù)系統(tǒng)S參數(shù)的串?dāng)_元素計(jì)算得出的。
串?dāng)_的公式由下式給出：
在哪里：
K = 一個(gè)常數(shù)，其值始終小于 1，取決于電路的上升時(shí)間和經(jīng)歷串?dāng)_的走線長(zhǎng)度。
H 2 = 它是平行走線高度的乘積。
D 2 = 它是走線中心線之間的直接距離的乘積。
上述等式清楚地表明，可以通過降低 H 和最大化 D 來最小化串?dāng)_。
以 dB 為單位的串?dāng)_由下式給出：
其中，V受害者是受害線的電壓和V侵略者是在侵略線上的電壓。
影響串?dāng)_幅度的因素
攻擊者和受害者線之間的耦合度
發(fā)生耦合的距離
所用終端類型的有效性
差分對(duì)中的串?dāng)_是如何引起的？
差分對(duì)中的串?dāng)_是由共模電流引起的。
每當(dāng)微分系統(tǒng)出現(xiàn)不平衡時(shí)，場(chǎng)不再完全抵消，這導(dǎo)致它們與不平衡成比例地輻射。類似地，外部場(chǎng)可以在差分對(duì)中感應(yīng)出幅度不相等且相位相反的電流，因此它們不再抵消。產(chǎn)生的電流稱為共模電流。與差模相比，共模串?dāng)_對(duì)系統(tǒng)性能的不利影響更大。
共模和差模串?dāng)_效應(yīng)在頻率方面的比較。圖片來源：英特爾
產(chǎn)生串?dāng)_的原因有哪些？
電容和電感耦合：電容耦合是由于寄生電容，電感耦合是由于互感。
傳播速度差異：可以通過走線長(zhǎng)度匹配和傳播延遲匹配來避免。
PCB過孔： 帶有短截線的PCB過孔會(huì)產(chǎn)生反射，從而產(chǎn)生產(chǎn)生串?dāng)_的振鈴。避免這種情況的一種方法是背鉆過孔。
增加的數(shù)據(jù)速率：隨著數(shù)據(jù)速率的增加，上升時(shí)間也會(huì)增加。根據(jù)法拉第定律，隨著上升時(shí)間的增加，串?dāng)_也會(huì)增加。減少此類信號(hào)之間串?dāng)_的一種方法是增加走線之間的間距。
電路板尺寸：隨著電路板尺寸的增加，走線長(zhǎng)度也會(huì)增加，這些走線就像天線一樣。因此，盡可能縮短走線長(zhǎng)度非常重要。
它是如何最小化的？
使用隔離的傳輸線：干擾源走線會(huì)在受干擾的走線上引起串?dāng)_，因此很明顯，干擾源電壓越高，串?dāng)_就越多。因此，最好根據(jù)信號(hào)幅度將網(wǎng)絡(luò)組分開。此策略可防止較大電壓網(wǎng)絡(luò) (3.3V) 影響較小電壓網(wǎng)絡(luò) (1.5V)。
實(shí)施背鉆通孔：通孔存根會(huì)降低信號(hào)完整性，從而增加串?dāng)_。這可以通過實(shí)施背鉆來減少。
減少并行走線：更長(zhǎng)的走線（超過 500 密耳）會(huì)增加互感，從而增加串?dāng)_。
保持走線之間足夠的間隔：在走線之間提供足夠的間隔（采用 3W 規(guī)則）。如果沒有保持足夠的分離，那么它會(huì)增加互電容 (Cm)。3W 規(guī)則將串?dāng)_降低了 70%。要實(shí)現(xiàn) 98% 的串?dāng)_減少，請(qǐng)選擇 10W。
使用保護(hù)走線： 保護(hù)走線用于控制傳輸線之間的電容串?dāng)_。應(yīng)明智地使用此類走線，因?yàn)樗鼈儠?huì)使布線變得困難。
采用正交布線：正交布線 相鄰的信號(hào)層，以最大限度地減少它們之間的電容耦合。
不要減少信號(hào)上升時(shí)間： 減少信號(hào)上升時(shí)間會(huì)增加串?dāng)_。
選擇差分對(duì)布線： 緊密耦合的差分布線消除了串?dāng)_，因?yàn)閬碜愿蓴_源的噪聲平均耦合到差分對(duì)的兩個(gè)分支中，從而產(chǎn)生共模噪聲。差分對(duì)抑制有助于減少串?dāng)_的共模噪聲。
正確終止偶數(shù)和奇數(shù)模式傳輸：可以 使用三電阻網(wǎng)絡(luò)（T 終止）來終止奇數(shù)和偶數(shù)模式。
確保整個(gè)系統(tǒng)串?dāng)_不超過 150mV。
串?dāng)_如何影響傳輸線參數(shù)？
受害者線上的電磁場(chǎng)和侵略者線上的電磁場(chǎng)相互作用。反過來，它們會(huì)影響在傳輸線上傳播的阻抗和信號(hào)。這兩條線可以稱為雙導(dǎo)體系統(tǒng)，其中兩條單獨(dú)的跡線影響通過它們的信號(hào)傳播。可以考慮兩種傳播模式：偶模（兩條線同相）和奇模（線相差 180 度）。
在奇模傳輸中，兩條線之間會(huì)存在相當(dāng)大的電位差。該電位差將增加等于互電容值的有效電容。
奇模傳輸期間的場(chǎng)線。
由于兩條線路中的電流流向相反的方向，因此將通過互感 (Lm) 值減少總電感。
奇模傳輸期間的電流。
奇模傳輸線阻抗由下式給出：
注意 Z差分= 2Z奇數(shù)
奇數(shù)模式的傳輸線傳播延遲由下式給出：
在偶模傳輸中，兩條線路（受害者和攻擊者）將始終具有相同的電位。這將通過互電容值降低有效電容。
偶模傳輸期間的場(chǎng)線。
由于兩條線路中的電流流向相同的方向，因此將通過互感 (Lm) 值增加總電感。
偶數(shù)模式的傳輸線阻抗由下式給出：
偶數(shù)模式的傳輸線傳播延遲由下式給出：
無法在系統(tǒng)級(jí)減少串?dāng)_。集成的建模和表征周期可用于減輕設(shè)備或封裝級(jí)別的串?dāng)_。如果控制不當(dāng)，它可能會(huì)使您的電路板無法正常工作。即使 PCB設(shè)計(jì)人員確保走線之間的最小間隔，它可能還不足以解決相關(guān)問題。
豐樂壹博專業(yè)PCB設(shè)計(jì)、PCB Layout、PCBA一站式生產(chǎn)。
標(biāo)簽：PCB設(shè)計(jì)
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