1.引言
隨著電子產(chǎn)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(guān)器件的頻率都不斷攀升,，保持并提高系統(tǒng)的速度與性能成為設(shè)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(shè)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(fā)，導致系統(tǒng)無法正常工作,。設(shè)計者必須了解串擾產(chǎn)生的機理,，并且在設(shè)計中應(yīng)用恰當?shù)姆椒?，使串擾產(chǎn)生的負面影響最小化。
2.高頻數(shù)字信號串擾的產(chǎn)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(chǎn)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(qū)動源為干擾源，則A—B間的線網(wǎng)稱為干擾源網(wǎng)絡(luò)(Aggressor line),，C—D之間的線網(wǎng)被稱為被干擾網(wǎng)絡(luò)(Victim line),，被干擾網(wǎng)絡(luò)靠近干擾源網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動端的串擾稱為近端串擾(也稱后向串擾)，而靠近干擾源網(wǎng)絡(luò)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?shù)男盘柕拇艌鲈诰€路C到D上感應(yīng)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(yīng)一個干擾尖脈沖出現(xiàn)在被干擾網(wǎng)絡(luò)上,?；ジ性诒桓蓴_網(wǎng)絡(luò)上疊加的這個電壓噪聲，其大小跟干擾網(wǎng)絡(luò)上驅(qū)動電流的變化成正比,。由互感產(chǎn)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(yīng)到被干擾網(wǎng)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(chǎn)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(qū)域是一樣的，但每個互感變壓器所感應(yīng)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(xù)時間會增加,。
2.2容性耦合
互容是產(chǎn)生串擾的另一個機制?；ト軨m會對被干擾網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個感應(yīng)電流,，該電流正比于干擾網(wǎng)絡(luò)上電壓的變化速率，由互容Cm產(chǎn)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(qū)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,。
2.3互感和互容的合成效應(yīng)
通常,，容性串擾和感性串擾是同時發(fā)生的。由文獻[1],，我們可以分別得到近端和遠端的總串擾的計算公式,，它們是分別由容性耦合和感性耦合疊加而成的。
近端串擾總噪聲為：
遠端串擾總噪聲為：
其中,，Z0,，C，l,，Cm,，Lm，L,，V0分別為傳輸線的特征阻抗,、單位長度電容、單位長度電感,，兩傳輸線之間耦合電容,、耦合電感，兩傳輸線平行長度和電壓峰值,。
由以上兩式,，我們可以看出遠端串擾總噪聲由于容性和感性耦合的極性關(guān)系而相互消減，即遠端串擾是可以消除的,。在PCB布線中,，帶狀線(Stripline) 電路更能夠顯示感性和容性耦合之間很好的平衡，其前向耦合能量極??；而對于微帶線(Microstfip)，與串擾相關(guān)的電場大部分穿過的是空氣,，而不是其它的絕緣材料,，因此容性串擾比感性串擾小，導致其前向耦合是一個小的負數(shù),。這也就是通常設(shè)計中,，常忽略遠端串擾的干擾，而較著重于近端串擾改善的原因,。
在實際設(shè)計中,，PCB的有關(guān)參數(shù)(如厚度，介電常數(shù)等)以及線長,、線寬,、線距、傳輸線與地平面的位置和電流流向都會影響c,、l,、Cm、Lm,、L,、的大小，而信號頻率和器件的上升/下降時間決定了 ,。
在這里我們不做這些參數(shù)對串擾影響的定量分析,，有關(guān)這些參數(shù)的相互關(guān)系及對串擾影響的程度，詳見其它相關(guān)參考文獻,。
2.4串擾的變化趨勢
互感與互容的大小影響著串擾的大小,，從而等價地改變傳輸線特征阻抗與傳播速度。同樣,，傳輸線的幾何形狀在很大程度上影響著互感與互容的變化,，因此傳輸線本身的特征阻抗對這些參數(shù)也有影響。在同一介質(zhì)中,，相對低阻抗的傳輸線與參考平面(地平面)間的耦合更加強烈,，相對地與鄰近傳輸線的耦合就會弱一些，因而低阻抗傳輸線對串擾引起的阻抗變化更小一些,。
3 串擾導致的幾種影響
在高速,、高密度PCB設(shè)計中一般提供一個完整的接地平面，從而使每條信號線基本上只和它最近的信號線相互影響,，來自其它較遠信號線的交叉耦合是可以忽略的,。盡管如此，在模擬系統(tǒng)中,，大功率信號穿過低電平輸入信號或當信號電壓較高的元件(如TTL)與信號電壓較低的元件(如ECL)接近時,，都需要非常高的抗串擾能力,。在PCB設(shè)計中，如果不正確處理,，串擾對高速PCB的信號完整性主要有以下兩種典型的影響,。
3.1串擾引起的誤觸發(fā)
信號串擾是高速設(shè)計所面臨的信號完整性問題中一個重要內(nèi)容，由串擾引起的數(shù)字電路功能錯誤是最常見的一種,。
圖 4是一種典型的由串擾脈沖引起的相鄰網(wǎng)絡(luò)錯誤邏輯的傳輸,。干擾源網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男盘柾ㄟ^耦合電容，在被干擾網(wǎng)絡(luò)和接收端引起一個噪聲脈沖,，結(jié)果導致一個不希望的脈沖發(fā)送到接受端,。如果這個脈沖強度超過了接收端的觸發(fā)值，就會產(chǎn)生無法控制的觸發(fā)脈沖,，引起下一級網(wǎng)絡(luò)的邏輯功能混亂,。
3.2串擾引起的時序延時
在數(shù)字設(shè)計中，時序問題是一個重要考慮的問題,。圖5顯示了由串擾噪聲引起的時序問題,。圖下半部分是干擾源網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的兩種噪聲脈沖(Helpful圖5串擾噪聲導致的延時glitch和Unhelpful glitch)，當噪聲脈沖(helpful glitch)疊加到被干擾網(wǎng)絡(luò),，就引起被干擾網(wǎng)絡(luò)信號傳輸延時減少,；同樣，當噪聲脈沖(Unhelpful glitch)疊加到被干擾網(wǎng)絡(luò)時,，就增加了被干擾網(wǎng)絡(luò)正常傳輸信號的延時,。盡管這種減少網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的串擾噪聲對改善PCB時序是有幫助的，但在實際 PCB設(shè)計中,，由于干擾源網(wǎng)絡(luò)的不確定性,，這種延時是無法控制的，因而對這種串擾引起的延時必須要加以抑制,。
4.串擾最小化
串擾在高速高密度的PCB設(shè)計中普遍存在,，串擾對系統(tǒng)的影響一般都是負面的。為減少串擾,，最基本的就是讓干擾源網(wǎng)絡(luò)與被干擾網(wǎng)絡(luò)之間的耦合越小越好,。在高密度復雜PCB設(shè)計中完全避免串擾是不可能的，但在系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)計者應(yīng)該在考慮不影響系統(tǒng)其它性能的情況下,，選擇適當?shù)姆椒▉砹η蟠當_的最小化,。結(jié)合上面的分析，解決串擾問題主要從以下幾個方面考慮：
在布線條件允許的條件下,，盡可能拉大傳輸線間的距離,；或者盡可能地減少相鄰傳輸線間的平行長度(累積平行長度)，最好是在不同層間走線。
相鄰兩層的信號層(無平面層隔離)走線方向應(yīng)該垂直,，盡量避免平行走線以減少層間的串擾,。
在確保信號時序的情況下，盡可能選擇轉(zhuǎn)換速度低的器件,，使電場與磁場的變化速率變慢,，從而降低串擾。
在設(shè)計層疊時,，在滿足特征阻抗的條件下，應(yīng)使布線層與參考平面(電源或地平面)間的介質(zhì)層盡可能薄,，因而加大了傳輸線與參考平面間的耦合度,，減少相鄰傳輸線的耦合。
由于表層只有一個參考平面,，表層布線的電場耦合比中間層的要強,，因而對串擾較敏感的信號線盡量布在內(nèi)層。
通過端接,，使傳輸線的遠端和近端終端阻抗與傳輸線匹配,，可大大減小串擾的幅度。
5.結(jié)束語
數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)進入了一個新的階段,。許多過去處于次要地位的高速設(shè)計問題,，現(xiàn)在已經(jīng)對于系統(tǒng)性能具有關(guān)鍵的影響。包括串擾在內(nèi)的信號完整性問題帶來了設(shè)計觀念,、設(shè)計流程及設(shè)計方法的變革,。面對新的挑戰(zhàn)，對于串擾噪聲而言,，最關(guān)鍵的就是找出那些對系統(tǒng)正常運行真正有影響的網(wǎng)絡(luò),，而不是盲目的對所有網(wǎng)絡(luò)進行串擾噪聲的抑制，這也是和有限的布線資源相矛盾的,。本文所討論的串擾問題對于高速高密度電路設(shè)計中解決串擾問題具有十分重要的意義,。