处理高速PCB设计中的串扰
处理高速PCB设计中的串扰
信号完整性测量已成为开发数字系统过程中的关键步骤。信号完整性问题，例如串扰、信号衰减、地弹等，在传输线效应也很关键的较高频率下会增加。
EMI 上升，因为更快的边缘速度会产生相对于总线长度更短的波长，从而产生意外的辐射。这些辐射会增加串扰，并可能导致高速PCB设计在EMI/EMC 测试期间失败。
PCB中的串扰是什么？
PCB走线中引起的串扰
串扰是由一个PCB走线到另一条PCB走线的能量耦合引起的干扰，即使它们没有接触。它是由于电场（电容耦合）和磁场（电感耦合）的相互作用而发生的。磁场产生互感，电场产生附近走线间的互电容。互感负责在相邻（受害）线上感应电流，该电流与侵略者线上的电流相反。由于互电容而形成的电容器将在受害线上的两个方向上通过电流。
电场和磁场耦合
当两条走线在同一层中彼此相邻或一条在相邻层中的另一条之上时，就会产生串扰。考虑沿同一方向运行的两条迹线。如果流经一条走线的信号幅度高于另一条走线，则可能会影响流经另一条走线的信号。在这里，具有较高幅度的轨迹将被称为“侵略者”，而另一条轨迹则被称为“受害者”。
在这种情况下，受害者走线中的信号将开始模仿攻击者走线的特征阻抗，而不是传导自己的信号。发生这种情况时，表示串扰已侵入系统。
串扰如何在系统中引起噪声？
每个电信号都有不同的电磁场。每当这些场重叠时，它们就会产生电感、电容或导电耦合，从而导致 EMI。
由于互电容和电感引起的串扰引起的噪声
近端和远端串扰噪声
在受害线路的近端和远端感应的电流会产生近端和远端噪声。
近端串扰总是正的，因为 Cm 和 Lm 产生的电流总是奇数并流入节点。在PCB中，由于 Lm 产生的电流大于 Cm 产生的电流，因此远端串扰通常为负值。
注意： 串扰噪声取决于受害线路的终端。
有哪些不同类型的串扰？
根据干扰线路和干扰线路上的走线路由和位置，串扰可以分类为：
1. 电容串扰：由于走线在顶部或彼此靠近而产生的电容效应。
2. 电感串扰：它是由于长距离平行走线之间的磁场相互作用而产生的。
电感串扰有两种类型：正向串扰和反向串扰。前向是在驱动线路上距离驱动器最远端观察到的噪声/干扰，而后向串扰是在受害线路上最近端观察到的干扰。
受害者和攻击者线上的前向和后向串扰描述。
2.1 近端串扰（NEXT）：在传输线或电缆的发射端测量。
2.2 远端串扰（FEXT）：在传输线或电缆的接收端测量。
NEXT 和 FEXT 是根据施加激励的端口测量的。它可以发生在线路的任何地方，无论是双导体还是单端。
差分 NEXT 和 FEXT 测量
注： NEXT 值以分贝 (dB) 表示，并随传输频率而变化。NEXT 的更高 dB 意味着更少的干扰。
3. 功率总和近端串扰 (PSNEXT)：它是三个攻击者对的 NEXT 之和，因为它影响了第四个受害者对。PSNEXT 给出来自所有相邻线对的总串扰，并涉及测量与功率相关的所有线对到线对分组。
4. 等电平远端串扰（ELFEXT）： 它是涉及衰减补偿的 FEXT 的测量。
5. 外来串扰： 它给出了电信系统PCB中串扰的测量。
上述类型是测量或量化系统中串扰的方法。
如何测量串扰？
串扰通常指定为出现在受害线路上的信号相对于干扰线路的百分比。它也可以用低于驱动线路电平的 dB 表示。NEXT 随传输频率而变化，因为更高的频率会产生更多的干扰。dB 值越高，受干扰的链路/信道接收到的串扰就越少。FEXT 是根据系统S参数的串扰元素计算得出的。
串扰的公式由下式给出：
在哪里：
K = 一个常数，其值始终小于 1，取决于电路的上升时间和经历串扰的走线长度。
H 2 = 它是平行走线高度的乘积。
D 2 = 它是走线中心线之间的直接距离的乘积。
上述等式清楚地表明，可以通过降低 H 和最大化 D 来最小化串扰。
以 dB 为单位的串扰由下式给出：
其中，V受害者是受害线的电压和V侵略者是在侵略线上的电压。
影响串扰幅度的因素
攻击者和受害者线之间的耦合度
发生耦合的距离
所用终端类型的有效性
差分对中的串扰是如何引起的？
差分对中的串扰是由共模电流引起的。
每当微分系统出现不平衡时，场不再完全抵消，这导致它们与不平衡成比例地辐射。类似地，外部场可以在差分对中感应出幅度不相等且相位相反的电流，因此它们不再抵消。产生的电流称为共模电流。与差模相比，共模串扰对系统性能的不利影响更大。
共模和差模串扰效应在频率方面的比较。图片来源：英特尔
产生串扰的原因有哪些？
电容和电感耦合：电容耦合是由于寄生电容，电感耦合是由于互感。
传播速度差异：可以通过走线长度匹配和传播延迟匹配来避免。
PCB过孔： 带有短截线的PCB过孔会产生反射，从而产生产生串扰的振铃。避免这种情况的一种方法是背钻过孔。
增加的数据速率：随着数据速率的增加，上升时间也会增加。根据法拉第定律，随着上升时间的增加，串扰也会增加。减少此类信号之间串扰的一种方法是增加走线之间的间距。
电路板尺寸：随着电路板尺寸的增加，走线长度也会增加，这些走线就像天线一样。因此，尽可能缩短走线长度非常重要。
它是如何最小化的？
使用隔离的传输线：干扰源走线会在受干扰的走线上引起串扰，因此很明显，干扰源电压越高，串扰就越多。因此，最好根据信号幅度将网络组分开。此策略可防止较大电压网络 (3.3V) 影响较小电压网络 (1.5V)。
实施背钻通孔：通孔存根会降低信号完整性，从而增加串扰。这可以通过实施背钻来减少。
减少并行走线：更长的走线（超过 500 密耳）会增加互感，从而增加串扰。
保持走线之间足够的间隔：在走线之间提供足够的间隔（采用 3W 规则）。如果没有保持足够的分离，那么它会增加互电容 (Cm)。3W 规则将串扰降低了 70%。要实现 98% 的串扰减少，请选择 10W。
使用保护走线： 保护走线用于控制传输线之间的电容串扰。应明智地使用此类走线，因为它们会使布线变得困难。
采用正交布线：正交布线 相邻的信号层，以最大限度地减少它们之间的电容耦合。
不要减少信号上升时间： 减少信号上升时间会增加串扰。
选择差分对布线： 紧密耦合的差分布线消除了串扰，因为来自干扰源的噪声平均耦合到差分对的两个分支中，从而产生共模噪声。差分对抑制有助于减少串扰的共模噪声。
正确终止偶数和奇数模式传输：可以 使用三电阻网络（T 终止）来终止奇数和偶数模式。
确保整个系统串扰不超过 150mV。
串扰如何影响传输线参数？
受害者线上的电磁场和侵略者线上的电磁场相互作用。反过来，它们会影响在传输线上传播的阻抗和信号。这两条线可以称为双导体系统，其中两条单独的迹线影响通过它们的信号传播。可以考虑两种传播模式：偶模（两条线同相）和奇模（线相差 180 度）。
在奇模传输中，两条线之间会存在相当大的电位差。该电位差将增加等于互电容值的有效电容。
奇模传输期间的场线。
由于两条线路中的电流流向相反的方向，因此将通过互感 (Lm) 值减少总电感。
奇模传输期间的电流。
奇模传输线阻抗由下式给出：
注意 Z差分= 2Z奇数
奇数模式的传输线传播延迟由下式给出：
在偶模传输中，两条线路（受害者和攻击者）将始终具有相同的电位。这将通过互电容值降低有效电容。
偶模传输期间的场线。
由于两条线路中的电流流向相同的方向，因此将通过互感 (Lm) 值增加总电感。
偶数模式的传输线阻抗由下式给出：
偶数模式的传输线传播延迟由下式给出：
无法在系统级减少串扰。集成的建模和表征周期可用于减轻设备或封装级别的串扰。如果控制不当，它可能会使您的电路板无法正常工作。即使 PCB设计人员确保走线之间的最小间隔，它可能还不足以解决相关问题。
丰乐壹博专注PCB设计,PCB Layout,PCBA一站式生产服务。
信号完整性测量已成为开发数字系统过程中的关键步骤。信号完整性问题，例如串扰、信号衰减、地弹等，在传输线效应也很关键的较高频率下会增加。
EMI 上升，因为更快的边缘速度会产生相对于总线长度更短的波长，从而产生意外的辐射。这些辐射会增加串扰，并可能导致高速PCB设计在EMI/EMC 测试期间失败。
PCB中的串扰是什么？
PCB走线中引起的串扰
串扰是由一个PCB走线到另一条PCB走线的能量耦合引起的干扰，即使它们没有接触。它是由于电场（电容耦合）和磁场（电感耦合）的相互作用而发生的。磁场产生互感，电场产生附近走线间的互电容。互感负责在相邻（受害）线上感应电流，该电流与侵略者线上的电流相反。由于互电容而形成的电容器将在受害线上的两个方向上通过电流。
电场和磁场耦合
当两条走线在同一层中彼此相邻或一条在相邻层中的另一条之上时，就会产生串扰。考虑沿同一方向运行的两条迹线。如果流经一条走线的信号幅度高于另一条走线，则可能会影响流经另一条走线的信号。在这里，具有较高幅度的轨迹将被称为“侵略者”，而另一条轨迹则被称为“受害者”。
在这种情况下，受害者走线中的信号将开始模仿攻击者走线的特征阻抗，而不是传导自己的信号。发生这种情况时，表示串扰已侵入系统。
串扰如何在系统中引起噪声？
每个电信号都有不同的电磁场。每当这些场重叠时，它们就会产生电感、电容或导电耦合，从而导致 EMI。
由于互电容和电感引起的串扰引起的噪声
近端和远端串扰噪声
在受害线路的近端和远端感应的电流会产生近端和远端噪声。
近端串扰总是正的，因为 Cm 和 Lm 产生的电流总是奇数并流入节点。在PCB中，由于 Lm 产生的电流大于 Cm 产生的电流，因此远端串扰通常为负值。
注意： 串扰噪声取决于受害线路的终端。
有哪些不同类型的串扰？
根据干扰线路和干扰线路上的走线路由和位置，串扰可以分类为：
1. 电容串扰：由于走线在顶部或彼此靠近而产生的电容效应。
2. 电感串扰：它是由于长距离平行走线之间的磁场相互作用而产生的。
电感串扰有两种类型：正向串扰和反向串扰。前向是在驱动线路上距离驱动器最远端观察到的噪声/干扰，而后向串扰是在受害线路上最近端观察到的干扰。
受害者和攻击者线上的前向和后向串扰描述。
2.1 近端串扰（NEXT）：在传输线或电缆的发射端测量。
2.2 远端串扰（FEXT）：在传输线或电缆的接收端测量。
NEXT 和 FEXT 是根据施加激励的端口测量的。它可以发生在线路的任何地方，无论是双导体还是单端。
差分 NEXT 和 FEXT 测量
注： NEXT 值以分贝 (dB) 表示，并随传输频率而变化。NEXT 的更高 dB 意味着更少的干扰。
3. 功率总和近端串扰 (PSNEXT)：它是三个攻击者对的 NEXT 之和，因为它影响了第四个受害者对。PSNEXT 给出来自所有相邻线对的总串扰，并涉及测量与功率相关的所有线对到线对分组。
4. 等电平远端串扰（ELFEXT）： 它是涉及衰减补偿的 FEXT 的测量。
5. 外来串扰： 它给出了电信系统PCB中串扰的测量。
上述类型是测量或量化系统中串扰的方法。
如何测量串扰？
串扰通常指定为出现在受害线路上的信号相对于干扰线路的百分比。它也可以用低于驱动线路电平的 dB 表示。NEXT 随传输频率而变化，因为更高的频率会产生更多的干扰。dB 值越高，受干扰的链路/信道接收到的串扰就越少。FEXT 是根据系统S参数的串扰元素计算得出的。
串扰的公式由下式给出：
在哪里：
K = 一个常数，其值始终小于 1，取决于电路的上升时间和经历串扰的走线长度。
H 2 = 它是平行走线高度的乘积。
D 2 = 它是走线中心线之间的直接距离的乘积。
上述等式清楚地表明，可以通过降低 H 和最大化 D 来最小化串扰。
以 dB 为单位的串扰由下式给出：
其中，V受害者是受害线的电压和V侵略者是在侵略线上的电压。
影响串扰幅度的因素
攻击者和受害者线之间的耦合度
发生耦合的距离
所用终端类型的有效性
差分对中的串扰是如何引起的？
差分对中的串扰是由共模电流引起的。
每当微分系统出现不平衡时，场不再完全抵消，这导致它们与不平衡成比例地辐射。类似地，外部场可以在差分对中感应出幅度不相等且相位相反的电流，因此它们不再抵消。产生的电流称为共模电流。与差模相比，共模串扰对系统性能的不利影响更大。
共模和差模串扰效应在频率方面的比较。图片来源：英特尔
产生串扰的原因有哪些？
电容和电感耦合：电容耦合是由于寄生电容，电感耦合是由于互感。
传播速度差异：可以通过走线长度匹配和传播延迟匹配来避免。
PCB过孔： 带有短截线的PCB过孔会产生反射，从而产生产生串扰的振铃。避免这种情况的一种方法是背钻过孔。
增加的数据速率：随着数据速率的增加，上升时间也会增加。根据法拉第定律，随着上升时间的增加，串扰也会增加。减少此类信号之间串扰的一种方法是增加走线之间的间距。
电路板尺寸：随着电路板尺寸的增加，走线长度也会增加，这些走线就像天线一样。因此，尽可能缩短走线长度非常重要。
它是如何最小化的？
使用隔离的传输线：干扰源走线会在受干扰的走线上引起串扰，因此很明显，干扰源电压越高，串扰就越多。因此，最好根据信号幅度将网络组分开。此策略可防止较大电压网络 (3.3V) 影响较小电压网络 (1.5V)。
实施背钻通孔：通孔存根会降低信号完整性，从而增加串扰。这可以通过实施背钻来减少。
减少并行走线：更长的走线（超过 500 密耳）会增加互感，从而增加串扰。
保持走线之间足够的间隔：在走线之间提供足够的间隔（采用 3W 规则）。如果没有保持足够的分离，那么它会增加互电容 (Cm)。3W 规则将串扰降低了 70%。要实现 98% 的串扰减少，请选择 10W。
使用保护走线： 保护走线用于控制传输线之间的电容串扰。应明智地使用此类走线，因为它们会使布线变得困难。
采用正交布线：正交布线 相邻的信号层，以最大限度地减少它们之间的电容耦合。
不要减少信号上升时间： 减少信号上升时间会增加串扰。
选择差分对布线： 紧密耦合的差分布线消除了串扰，因为来自干扰源的噪声平均耦合到差分对的两个分支中，从而产生共模噪声。差分对抑制有助于减少串扰的共模噪声。
正确终止偶数和奇数模式传输：可以 使用三电阻网络（T 终止）来终止奇数和偶数模式。
确保整个系统串扰不超过 150mV。
串扰如何影响传输线参数？
受害者线上的电磁场和侵略者线上的电磁场相互作用。反过来，它们会影响在传输线上传播的阻抗和信号。这两条线可以称为双导体系统，其中两条单独的迹线影响通过它们的信号传播。可以考虑两种传播模式：偶模（两条线同相）和奇模（线相差 180 度）。
在奇模传输中，两条线之间会存在相当大的电位差。该电位差将增加等于互电容值的有效电容。
奇模传输期间的场线。
由于两条线路中的电流流向相反的方向，因此将通过互感 (Lm) 值减少总电感。
奇模传输期间的电流。
奇模传输线阻抗由下式给出：
注意 Z差分= 2Z奇数
奇数模式的传输线传播延迟由下式给出：
在偶模传输中，两条线路（受害者和攻击者）将始终具有相同的电位。这将通过互电容值降低有效电容。
偶模传输期间的场线。
由于两条线路中的电流流向相同的方向，因此将通过互感 (Lm) 值增加总电感。
偶数模式的传输线阻抗由下式给出：
偶数模式的传输线传播延迟由下式给出：
无法在系统级减少串扰。集成的建模和表征周期可用于减轻设备或封装级别的串扰。如果控制不当，它可能会使您的电路板无法正常工作。即使 PCB设计人员确保走线之间的最小间隔，它可能还不足以解决相关问题。
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