高速PCB設計中串音的控制（一）

內容：在高頻電路中，串音可能是最難理解和預測的，但是，它可以被控制甚至被消除掉。 隨著切換速度的加快，現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)遇到了一系列難題，例如：信號反射、延遲衰落、串音、和電磁兼容失效等等。當集成電路的切換時間下降到5納秒或4納秒或更低時，印刷本身的固有特性開始顯現(xiàn)出來。不幸的是，這些特性是有害的，在設計過程中應該盡量設法避開。在高頻電路中，串音可能是最難理解和預測的，但是，它可以被控制甚至被消除掉。 1、 串音由何引起？ 當信號沿著印刷的布線傳播時，其電磁波也沿著布線傳播，從集成電路芯片一端傳到線的另一端。在傳播過程中，由於電磁感應，電磁波引起了瞬變的電壓和電流。 電磁波包括隨時間變化的電場和磁場。在印刷中，實際上，電磁場并不限制在各種布線內，有相當一部分的電磁場能量存在於布線之外。所以，如果附近有其它線路，當信號沿一根導線傳播時，其電場和磁場將會影響到其它線路。根據(jù)麥克斯韋爾方程，時變電及磁場會使鄰近導產生電壓和電流，因此，信號傳播過程中伴隨的電磁場將會使鄰近線路產生信號，這樣，就導致了串音。 在印刷中，引起串音的線路通常稱為“侵入者”。受串音干擾的線路通常稱為“受害者”。在任何“受害者”中的串音信號都可被分為前向串音信號和後向串音信號，這兩種信號部分地由於電容耦合和電感耦合引起。串音信號的數(shù)學描述是非常復雜的，但是，如同湖面上的高速快艇，前向和後向串音信號的某些量化特徵還是能被人們所理解。 高速快艇對水產生兩種影響。首先，快艇在船頭激起浪花，弧形的漣漪好像隨著快艇一起前進；其次，當快艇行駛一段時間後，會在身後留下長長的水跡。 這很類似於信號通過“侵入者”時， “受害者”的反應?！笆芎φ摺敝杏袃煞N串音信號：位於侵入信號之前的前向信號，像船頭的水和漣漪；落後於侵入信號的後向信號，像船開遠後仍在湖中的水跡。 2、前向串音的電容特性 前向串音表現(xiàn)為兩種相互關聯(lián)的特性：容性和感性?！扒秩搿毙盘柷斑M時，在“受害者”中產生與之同相的電壓信號，這個信號的速度與“侵入”信號相同，但又始終位於“侵入”信號之前。這意味著串音信號不會提前傳播，而是和“侵入”信號同速并耦合入更多的能量。由於“侵入”信號的變化引起串音信號，所以前向串音脈沖不是單極性的，而是具有正負兩個極性。脈沖持續(xù)時間等於“侵入”信號的切換時間。 導線間的耦合電容決定了前向串音脈沖的幅值，而耦合電容是由許多因素決定的，例如印刷的材料，幾何尺寸，線路交叉位置等等。幅值和平行線路間的距離成比例：距離越長，串音脈沖就越大。然而，串音脈沖幅值有一個上限，因為“侵入”信號漸漸地失去了能量，而“受害者”又反過來耦合回“侵入者”。 前向串音的電感特性 當“侵入”信號傳播時，它的時變磁場同樣會產生串音：具有電感特性的前向串音。但是感性串音和容性串音明顯不同：前向感性串音的極性和前向容性串音的極性相反。這因為在前進方向，串音的容性部分和感性部分在競爭，在相互抵消。實際上，當前向容性和感性串音相等時，就不存在前向串音。 在許多設備中，前向串音相當小，而後向串音成了主要問題，尤其對於長條形，因為電容耦合增強了。但是，在沒有仿真的前提下，實際無法知道感性和容性串音抵消到何種程度。 如果你測到了前向串音，你就可以根據(jù)其極性判別你的走線是容性耦合還是感性耦合。如果串音極性和“侵入”信號相同，容性耦合占主要地位，反之，感性耦合占主要地位。在印刷中，通常是感性耦合更強些。 後向串音發(fā)生的物理理和前向串音相同：“侵入”信號的時變電場和磁場引起“受害者”中的感性和容性信號。但是這兩者之間也有所不同。 最大的不同是後向串音信號的持續(xù)時間。因為前向串音和“侵入”信號的傳播方向及速度相同，所以前向串音的持續(xù)時間和“侵入”信號等長。但是，後向串音和“侵入”信號反方向傳播，它滯後於“侵入”信號，并引起一長串脈沖。 與前向串音不同，後向串音脈沖的幅值與線路長度無關，其脈沖持續(xù)期是“侵入”信號延遲時間的兩倍。為什麼呢？假設你從信號出發(fā)點觀察後向串音，當“侵入”信號遠離出發(fā)點時，它仍在產生後向脈沖，直到另一個延遲信號出現(xiàn)。這樣，後向串音脈沖的整個持續(xù)時間就是“侵入”信號延遲時間的兩倍。 3、後向串音的反射 你可能不關心驅動芯片和接收芯片的串音干擾。然而，你為什麼要關心後向脈沖呢？因為驅動芯片一般是低阻輸出，它反射的串音信號多於吸收的串音信號。當後向串音信號到達“受害者”的驅動芯片時，它會反射到接收芯片。因為驅動芯片的輸出電阻一般低於導線本身，常常引起串音信號的反射。與前向串音信號具有感性和容性兩種特性不同，後向串音信號只有一個極性，所以後向串音信號就不能自我抵消。後向串音信號及其反射之後的串音信號的極性和“侵入”信號相同，其幅值是兩部分之和。 切記，當你在“受害者”的接收端測到後向串音脈沖時，這個串音信號已經經過了“受害者”驅動芯片的反射。你可以觀察到後向串音信號的極性和“侵入”信號相反。 在數(shù)字設計時，你常常關心一些量化指標，例如：不管串音是如何產生，何時產生，前向還是後向的，它的最大噪聲容限為150mV。那麼，存在簡單的能夠精確衡量噪聲的方法嗎？簡單的回答是“沒有”，因為電磁場效應太復雜了，涉及到一系列方程，的拓撲結構，芯片的模擬特性等等。