處理高速PCB設計中的串擾

處理高速PCB設計中的串擾

信號完整性測量已成為開發數字系統過程中的關鍵步驟。信號完整性問題，例如串擾、信號衰減、地彈等，在傳輸線效應也很關鍵的較高頻率下會增加。
EMI 上升，因為更快的邊緣速度會產生相對于總線長度更短的波長，從而產生意外的輻射。這些輻射會增加串擾，并可能導致高速PCB設計在EMI/EMC 測試期間失敗。
PCB中的串擾是什么？

PCB走線中引起的串擾
串擾是由一個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（電容耦合）和磁場（電感耦合）的相互作用而發生的。磁場產生互感，電場產生附近走線間的互電容。互感負責在相鄰（受害）線上感應電流，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方向上通過電流。

電場和磁場耦合
當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，就會產生串擾。考慮沿同一方向運行的兩條跡線。如果流經一條走線的信號幅度高于另一條走線，則可能會影響流經另一條走線的信號。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將開始模仿攻擊者走線的特征阻抗，而不是傳導自己的信號。發生這種情況時，表示串擾已侵入系統。
串擾如何在系統中引起噪聲？
每個電信號都有不同的電磁場。每當這些場重疊時，它們就會產生電感、電容或導電耦合，從而導致 EMI。

由于互電容和電感引起的串擾引起的噪聲

近端和遠端串擾噪聲
在受害線路的近端和遠端感應的電流會產生近端和遠端噪聲。
近端串擾總是正的，因為 Cm 和 Lm 產生的電流總是奇數并流入節點。在PCB中，由于 Lm 產生的電流大于 Cm 產生的電流，因此遠端串擾通常為負值。
注意：串擾噪聲取決于受害線路的終端。
有哪些不同類型的串擾？
根據干擾線路和干擾線路上的走線路由和位置，串擾可以分類為：
1. 電容串擾：由于走線在頂部或彼此靠近而產生的電容效應。
2. 電感串擾：它是由于長距離平行走線之間的磁場相互作用而產生的。
電感串擾有兩種類型：正向串擾和反向串擾。前向是在驅動線路上距離驅動器最遠端觀察到的噪聲/干擾，而后向串擾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擾描述。
2.1 近端串擾（NEXT）：在傳輸線或電纜的發射端測量。
2.2 遠端串擾（FEXT）：在傳輸線或電纜的接收端測量。
NEXT 和 FEXT 是根據施加激勵的端口測量的。它可以發生在線路的任何地方，無論是雙導體還是單端。

差分 NEXT 和 FEXT 測量
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. 功率總和近端串擾 (PSNEXT)：它是三個攻擊者對的 NEXT 之和，因為它影響了第四個受害者對。PSNEXT 給出來自所有相鄰線對的總串擾，并涉及測量與功率相關的所有線對到線對分組。
4. 等電平遠端串擾（ELFEXT）：它是涉及衰減補償的 FEXT 的測量。
5. 外來串擾：它給出了電信系統PCB中串擾的測量。
上述類型是測量或量化系統中串擾的方法。
如何測量串擾？
串擾通常指定為出現在受害線路上的信號相對于干擾線路的百分比。它也可以用低于驅動線路電平的 dB 表示。NEXT 隨傳輸頻率而變化，因為更高的頻率會產生更多的干擾。dB 值越高，受干擾的鏈路/信道接收到的串擾就越少。FEXT 是根據系統S參數的串擾元素計算得出的。
串擾的公式由下式給出：

在哪里：
K = 一個常數，其值始終小于 1，取決于電路的上升時間和經歷串擾的走線長度。
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 來最小化串擾。
以 dB 為單位的串擾由下式給出：

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。
影響串擾幅度的因素
攻擊者和受害者線之間的耦合度
發生耦合的距離
所用終端類型的有效性
差分對中的串擾是如何引起的？

差分對中的串擾是由共模電流引起的。
每當微分系統出現不平衡時，場不再完全抵消，這導致它們與不平衡成比例地輻射。類似地，外部場可以在差分對中感應出幅度不相等且相位相反的電流，因此它們不再抵消。產生的電流稱為共模電流。與差模相比，共模串擾對系統性能的不利影響更大。

共模和差模串擾效應在頻率方面的比較。圖片來源：英特爾
產生串擾的原因有哪些？
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過孔會產生反射，從而產生產生串擾的振鈴。避免這種情況的一種方法是背鉆過孔。
增加的數據速率：隨著數據速率的增加，上升時間也會增加。根據法拉第定律，隨著上升時間的增加，串擾也會增加。減少此類信號之間串擾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，走線長度也會增加，這些走線就像天線一樣。因此，盡可能縮短走線長度非常重要。
它是如何最小化的？
使用隔離的傳輸線：干擾源走線會在受干擾的走線上引起串擾，因此很明顯，干擾源電壓越高，串擾就越多。因此，最好根據信號幅度將網絡組分開。此策略可防止較大電壓網絡 (3.3V) 影響較小電壓網絡 (1.5V)。
實施背鉆通孔：通孔存根會降低信號完整性，從而增加串擾。這可以通過實施背鉆來減少。
減少并行走線：更長的走線（超過 500 密耳）會增加互感，從而增加串擾。
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 規則）。如果沒有保持足夠的分離，那么它會增加互電容 (Cm)。3W 規則將串擾降低了 70%。要實現 98% 的串擾減少，請選擇 10W。
使用保護走線：保護走線用于控制傳輸線之間的電容串擾。應明智地使用此類走線，因為它們會使布線變得困難。
采用正交布線：正交布線相鄰的信號層，以最大限度地減少它們之間的電容耦合。
不要減少信號上升時間：減少信號上升時間會增加串擾。
選擇差分對布線：緊密耦合的差分布線消除了串擾，因為來自干擾源的噪聲平均耦合到差分對的兩個分支中，從而產生共模噪聲。差分對抑制有助于減少串擾的共模噪聲。
正確終止偶數和奇數模式傳輸：可以使用三電阻網絡（T 終止）來終止奇數和偶數模式。

確保整個系統串擾不超過 150mV。
串擾如何影響傳輸線參數？
受害者線上的電磁場和侵略者線上的電磁場相互作用。反過來，它們會影響在傳輸線上傳播的阻抗和信號。這兩條線可以稱為雙導體系統，其中兩條單獨的跡線影響通過它們的信號傳播。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，兩條線之間會存在相當大的電位差。該電位差將增加等于互電容值的有效電容。