優(yōu)化PCB布線減少串擾的解決方案

1、【Word版本下載可任意編輯】 優(yōu)化PCB布線減少串擾的解決方案 導讀：設計人員必須小心的規(guī)劃 PCB 的高速串行信號走線，以便盡可能減少線對間串擾，防止信道傳輸對數(shù)據(jù)造成破壞，本文介紹了優(yōu)化信號布線以顯著減少串擾的方法。 I.序言 如今，各種便攜式計算設備都應用了密集的印刷電路板（PCB）設計，并使用了多個高速數(shù)字通信協(xié)議，例如 PCIe、USB 和 SATA,這些高速數(shù)字協(xié)議支持高達 Gb 的數(shù)據(jù)吞吐速率并具有數(shù)百毫伏的差分幅度。 入侵（aggressor）信號與受害（victim）信號出現(xiàn)能量耦合時會產生串擾，表現(xiàn)為電場或磁場干擾。電場通過信號間的互電容耦合，磁場則通過互感耦合。 方程式

2、（1）和（2）分別是入侵信號對受害信號的感應電壓和電流計算公式，方程式（3）和（4）分別是入侵信號和受害信號之間的互電容和互電感計算公式。 圖中文字中英對照 nduced voltage on victim :受害信號的感應電壓 mutual inductance between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的互電感 transient edge rate of current due to aggressor :受入侵信號影響的瞬態(tài)電流邊沿速率 induced current on victim :受害信號的感應電流 mutual capacitance

3、between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的互電容 dielectric permittivity :介電常數(shù) overlapped conductive area between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的重疊導電區(qū)域 distance between victim and aggressor :受害信號和入侵信號間的距離 transient edge rate of voltage due to aggressor :受入侵信號影響的瞬態(tài)電壓邊沿速率 如方程式（1）、（2）、（3）和（4）所示，距離增加時，受害信

4、號和入侵信號之間的電感和電容耦合降低。然而，由于必須滿足便攜計算設備設計緊湊的要求，PCB 的尺寸有限，增加線間空隙的難度很大。 微帶線收發(fā)交叉布線和帶狀線收發(fā)非交叉布線的方法可緩解串擾或耦合問題。 圖1 交叉布線（transmitted pair:發(fā)射對；received pair:接收對） 圖2 非交叉布線（transmitted pair:發(fā)射對；received pair:接收對） 當遠端串擾（FEXT）遠大于近端串擾（NEXT）時適用交叉模式。相反，當近端串擾遠大于遠端串擾時適用非交叉布線。近端串擾表示受害網絡鄰近入侵信號發(fā)射機而造成的串擾，遠端串擾表示受害網絡鄰近入侵信號接收機而造

5、成的串擾。通過分析入侵信號和受害信號這兩個嚴密耦合信號的 S 參數(shù)與瞬態(tài)響應，我們可以比照微帶線和帶狀線的遠端串擾和近端串擾 II. 仿真 圖3 和圖4 分別是 ADS 中的 S 參數(shù)和瞬態(tài)分析仿真模型。圖3 中，100差分阻抗和3 英寸長的受害信號和入侵網絡信號線對的單模 S 參數(shù)通過數(shù)學方式轉變?yōu)椴罘帜Ｊ健６丝? 和端口2 分別表示入侵信號對的輸入和輸出端口，而端口3 和端口4 分別表示受害網絡信號對的輸入和輸出端口。入侵信號和受害信號的線對間空隙設置為8 mil（1 倍布線寬度）。 圖 4 中，中間的傳輸線表示受害網絡信號對，傳輸線兩端均端接電阻。在受害網絡信號對上方和下方的傳輸線中分別

6、注入具有 30ps 邊沿速率的方波，以作為入侵信號。 圖3:S 參數(shù)仿真模型（coupled pairs:耦合對） 圖4:瞬態(tài)分析仿真模型（coupled pairs:耦合對） 差分 S 參數(shù) Sdd31 表示近端串擾，Sdd41 表示遠端串擾。Sdd31 定義為端口3（受害網絡信號輸入端）感應電壓相對于端口1（入侵網絡信號輸入端）入射電壓的增益比，而 Sdd41 定義為端口4（受害網絡信號輸出端）感應電壓相對于端口1（入侵網絡信號輸入端）入射電壓的增益比。 圖5 和圖6 是耦合微帶線和帶狀線對的仿真 S 參數(shù)。圖5 顯示，Sdd31 低于 Sdd41,說明使用微帶線開展布線的 Sdd41 或

7、遠端串擾增益高于 Sdd31 或近端串擾；圖6 顯示，使用帶狀線開展布線的 Sdd31 增益高于 Sdd41. 圖5:仿真微帶線 Sdd31和 Sdd41（FEXT:遠端串擾；NEXT:近端串擾） 圖6:仿真帶狀線 Sdd31和 Sdd41（FEXT:遠端串擾；NEXT:近端串擾） 圖7 和 圖8 分別是耦合微帶線和帶狀線對的遠端串擾和近端串擾時域瞬態(tài)響應仿真。如圖7 所示，當入侵線信號瞬態(tài)上升或下降時，微帶線布線的受害線的遠端感應電壓峰值（0.3V）遠大于近端峰值（0.05V）；圖8帶狀線仿真顯示，受害信號線的遠端感應電壓峰值與近端相當（0.05V）。受害信號的誤觸發(fā)或感應峰值會增加接收機集

8、成電路（IC）噪聲裕量超限幾率，進而增加比特誤差率（BER）。 圖7:微帶線遠端串擾和近端串擾時域響應仿真（Waveform:波形；Aggressor:入侵信號） 圖8:帶狀線遠端串擾和近端串擾時域響應仿真（Waveform:波形；Aggressor:入侵信號） 為了盡可能降低嚴密耦合線對之間的串擾，微帶線采用收發(fā)交叉布線而帶狀線應用收發(fā)非交叉布線是一個更好的選擇。 III. 原型 PCB 測量 為了驗證仿真結果與實際測量的關聯(lián)性，我們需要制作原型 PCB.圖9 和 圖10 是耦合微帶線和帶狀線的 S 參數(shù)測量結果。如圖9 所示，近端串擾低于遠端串擾；圖10 中，遠端串擾低于近端串擾。 圖9:微帶線的 S 參數(shù)測量結果 圖10:帶狀線的 S 參數(shù)測量結果 圖11 和 圖12 分別是耦合微帶線和帶狀線對的遠端串擾和近端串擾時域瞬態(tài)響應測量結果。圖11 中，入侵線的信號瞬態(tài)上升或下降時，受害線的遠端感應電壓峰值（0.3V）遠大于近端峰值（0.1V）；圖12 中，受害線的遠端感應電壓峰值與近端峰值相當（0.1V）。 圖 11:微帶線遠端串擾和近端串擾時域響應測量結果（nse