高速PCB設(shè)計(jì)中串音的控制（一）

內(nèi)容：在高頻電路中，串音可能是最難理解和預(yù)測(cè)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(hào)反射、延遲衰落、串音、和電磁兼容失效等等。當(dāng)集成電路的切換時(shí)間下降到5納秒或4納秒或更低時(shí)，印刷本身的固有特性開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái)。不幸的是，這些特性是有害的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該盡量設(shè)法避開(kāi)。在高頻電路中，串音可能是最難理解和預(yù)測(cè)的，但是，它可以被控制甚至被消除掉。 1、 串音由何引起？ 當(dāng)信號(hào)沿著印刷的布線傳播時(shí)，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(guò)程中，由於電磁感應(yīng)，電磁波引起了瞬變的電壓和電流。 電磁波包括隨時(shí)間變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。在印刷中，實(shí)際上，電磁場(chǎng)并不限制在各種布線內(nèi)，有相當(dāng)一部分的電磁場(chǎng)能量存在於布線之外。所以，如果附近有其它線路，當(dāng)信號(hào)沿一根導(dǎo)線傳播時(shí)，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)將會(huì)影響到其它線路。根據(jù)麥克斯韋爾方程，時(shí)變電及磁場(chǎng)會(huì)使鄰近導(dǎo)產(chǎn)生電壓和電流，因此，信號(hào)傳播過(guò)程中伴隨的電磁場(chǎng)將會(huì)使鄰近線路產(chǎn)生信號(hào)，這樣，就導(dǎo)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(hào)都可被分為前向串音信號(hào)和後向串音信號(hào)，這兩種信號(hào)部分地由於電容耦合和電感耦合引起。串音信號(hào)的數(shù)學(xué)描述是非常復(fù)雜的，但是，如同湖面上的高速快艇，前向和後向串音信號(hào)的某些量化特徵還是能被人們所理解。 高速快艇對(duì)水產(chǎn)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(jìn)；其次，當(dāng)快艇行駛一段時(shí)間後，會(huì)在身後留下長(zhǎng)長(zhǎng)的水跡。 這很類似於信號(hào)通過(guò)“侵入者”時(shí)， “受害者”的反應(yīng)?！笆芎φ摺敝杏袃煞N串音信號(hào)：位於侵入信號(hào)之前的前向信號(hào)，像船頭的水和漣漪；落後於侵入信號(hào)的後向信號(hào)，像船開(kāi)遠(yuǎn)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(guān)聯(lián)的特性：容性和感性。“侵入”信號(hào)前進(jìn)時(shí)，在“受害者”中產(chǎn)生與之同相的電壓信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的速度與“侵入”信號(hào)相同，但又始終位於“侵入”信號(hào)之前。這意味著串音信號(hào)不會(huì)提前傳播，而是和“侵入”信號(hào)同速并耦合入更多的能量。由於“侵入”信號(hào)的變化引起串音信號(hào)，所以前向串音脈沖不是單極性的，而是具有正負(fù)兩個(gè)極性。脈沖持續(xù)時(shí)間等於“侵入”信號(hào)的切換時(shí)間。 導(dǎo)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(zhǎng)，串音脈沖就越大。然而，串音脈沖幅值有一個(gè)上限，因?yàn)椤扒秩搿毙盘?hào)漸漸地失去了能量，而“受害者”又反過(guò)來(lái)耦合回“侵入者”。 前向串音的電感特性 當(dāng)“侵入”信號(hào)傳播時(shí)，它的時(shí)變磁場(chǎng)同樣會(huì)產(chǎn)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?yàn)樵谇斑M(jìn)方向，串音的容性部分和感性部分在競(jìng)爭(zhēng)，在相互抵消。實(shí)際上，當(dāng)前向容性和感性串音相等時(shí)，就不存在前向串音。 在許多設(shè)備中，前向串音相當(dāng)小，而後向串音成了主要問(wèn)題，尤其對(duì)於長(zhǎng)條形，因?yàn)殡娙蓠詈显鰪?qiáng)了。但是，在沒(méi)有仿真的前提下，實(shí)際無(wú)法知道感性和容性串音抵消到何種程度。 如果你測(cè)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(hào)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(qiáng)些。 後向串音發(fā)生的物理理和前向串音相同：“侵入”信號(hào)的時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)引起“受害者”中的感性和容性信號(hào)。但是這兩者之間也有所不同。 最大的不同是後向串音信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。因?yàn)榍跋虼艉汀扒秩搿毙盘?hào)的傳播方向及速度相同，所以前向串音的持續(xù)時(shí)間和“侵入”信號(hào)等長(zhǎng)。但是，後向串音和“侵入”信號(hào)反方向傳播，它滯後於“侵入”信號(hào)，并引起一長(zhǎng)串脈沖。 與前向串音不同，後向串音脈沖的幅值與線路長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，其脈沖持續(xù)期是“侵入”信號(hào)延遲時(shí)間的兩倍。為什麼呢？假設(shè)你從信號(hào)出發(fā)點(diǎn)觀察後向串音，當(dāng)“侵入”信號(hào)遠(yuǎn)離出發(fā)點(diǎn)時(shí)，它仍在產(chǎn)生後向脈沖，直到另一個(gè)延遲信號(hào)出現(xiàn)。這樣，後向串音脈沖的整個(gè)持續(xù)時(shí)間就是“侵入”信號(hào)延遲時(shí)間的兩倍。 3、後向串音的反射 你可能不關(guān)心驅(qū)動(dòng)芯片和接收芯片的串音干擾。然而，你為什麼要關(guān)心後向脈沖呢？因?yàn)轵?qū)動(dòng)芯片一般是低阻輸出，它反射的串音信號(hào)多於吸收的串音信號(hào)。當(dāng)後向串音信號(hào)到達(dá)“受害者”的驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，它會(huì)反射到接收芯片。因?yàn)轵?qū)動(dòng)芯片的輸出電阻一般低於導(dǎo)線本身，常常引起串音信號(hào)的反射。與前向串音信號(hào)具有感性和容性兩種特性不同，後向串音信號(hào)只有一個(gè)極性，所以後向串音信號(hào)就不能自我抵消。後向串音信號(hào)及其反射之後的串音信號(hào)的極性和“侵入”信號(hào)相同，其幅值是兩部分之和。 切記，當(dāng)你在“受害者”的接收端測(cè)到後向串音脈沖時(shí)，這個(gè)串音信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了“受害者”驅(qū)動(dòng)芯片的反射。你可以觀察到後向串音信號(hào)的極性和“侵入”信號(hào)相反。 在數(shù)字設(shè)計(jì)時(shí)，你常常關(guān)心一些量化指標(biāo)，例如：不管串音是如何產(chǎn)生，何時(shí)產(chǎn)生，前向還是後向的，它的最大噪聲容限為150mV。那麼，存在簡(jiǎn)單的能夠精確衡量噪聲的方法嗎？簡(jiǎn)單的回答是“沒(méi)有”，因?yàn)殡姶艌?chǎng)效應(yīng)太復(fù)雜了，涉及到一系列方程，的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，芯片的模擬特性等等。