高速PCB串擾分析及其最小化

? ?? ? ?1.引言
? ?? ? ?隨著電子產品功能的日益復雜和性能的提高，印刷電路板的密度和其相關器件的頻率都不斷攀升，保持并提高系統的速度與性能成為設計者面前的一個重要課題。信號頻率變高，邊沿變陡，印刷電路板的尺寸變小，布線密度加大等都使得串擾在高速PCB設計中的影響顯著增加。串擾問題是客觀存在，但超過一定的界限可能引起電路的誤觸發，導致系統無法正常工作。設計者必須了解串擾產生的機理，并且在設計中應用恰當的方法，使串擾產生的負面影響最小化。

? ?? ? ?2.高頻數字信號串擾的產生及變化趨勢
? ?? ? ?串擾是指當信號在傳輸線上傳播時，相鄰信號之間由于電磁場的相互耦合而產生的不期望的噪聲電壓信號，即能量由一條線耦合到另一條線上。
? ?? ? ?如圖1所示，為便于分析，我們依照離散式等效模型來描述兩個相鄰傳輸線的串擾模型，傳輸線AB和CD的特性阻抗為Z0，且終端匹配電阻R=Z0。如果位于A點的驅動源為干擾源，則A—B間的線網稱為干擾源網絡(Aggressor?line)，C—D之間的線網被稱為被干擾網絡(Victim?line)，被干擾網絡靠近干擾源網絡的驅動端的串擾稱為近端串擾(也稱后向串擾)，而靠近干擾源網絡接收端方向的串擾稱為遠端串擾(也稱前向串擾)。串擾主要源自兩相鄰導體之間所形成的互感Lm和互容Cm。

? ?? ? ?2.1感性耦合
? ?? ? ?在圖1中，先只考慮互感Lm引起的感性耦合。線路A到B上傳輸的信號的磁場在線路C到D上感應出電壓，磁耦合的作用類似一個變壓器，由于這是個分布式的傳輸線，所以互感也變成一連串的變壓器分布在兩個相鄰的并行傳輸線上。當一個電壓階躍信號從A移動到B，每個分布在干擾線上的變壓器會依序感應一個干擾尖脈沖出現在被干擾網絡上。互感在被干擾網絡上疊加的這個電壓噪聲，其大小跟干擾網絡上驅動電流的變化成正比。由互感產生的噪聲計算公式為

? ?? ? ?值得注意的是，耦合變壓器每一段的互感耦合的極性是不同的，這些感應到被干擾網路的干擾能量依序前向和后向，但極性相反，沿著傳輸線CD分別往C和D點行進。

? ?? ? ?如圖2所示，往C方向的前向干擾能量，是和入射電壓及每個互感分量Lm成正比，因為所有前向干擾能量幾乎同時抵達C點，所以前向干擾能量與兩傳輸線的互感總量成正比，傳輸線平行的長度越長，所產生的互感總量就越大，前向干擾能量也隨即增加；然而往D點的后向干擾能量與往C點的前向干擾能量不同的是，雖然兩者耦合的總區域是一樣的，但每個互感變壓器所感應的干擾分量是依序到達D，后向干擾能量的有效時間長達2Tp(Tp為傳播延時)，隨著線路平行長度的延長(即互感增加)，后向串擾的幅度大小是不會變化的，而持續時間會增加。

? ?? ? ?2.2容性耦合
? ?? ? ?互容是產生串擾的另一個機制。互容Cm會對被干擾網絡產生一個感應電流，該電流正比于干擾網絡上電壓的變化速率，由互容Cm產生的噪聲計算公式為：

? ?? ? ?分布式耦合電容的耦合機制和分布式電感耦合相類似，區別在于耦合的極性。如圖3所示，互容耦合的前向和后向干擾能量的極性都是正的。