信號完整性之串?dāng)_(三)

12為什么靜態(tài)線遠(yuǎn)端會出現(xiàn)近端串?dāng)_噪聲

上一篇文章講到，從動態(tài)線耦合過來的噪聲會在靜態(tài)線的近端產(chǎn)生近端耦合噪聲，同時在靜態(tài)線的遠(yuǎn)端產(chǎn)生遠(yuǎn)端耦合噪聲。不過現(xiàn)實中，在靜態(tài)線的遠(yuǎn)端也存在近端串?dāng)_噪聲，這是為什么呢？

如下圖。藍(lán)色信號是從動態(tài)線近端，通過傳輸線發(fā)送到負(fù)載1。在信號傳輸?shù)倪^程中，在靜態(tài)線產(chǎn)生藍(lán)色的近端串?dāng)_信號和藍(lán)色的遠(yuǎn)端串?dāng)_信號。當(dāng)藍(lán)色信號到達(dá)負(fù)載1時，會有些許的反射信號（綠色信號）從負(fù)載1傳回到信號源。這些反射信號在靜態(tài)線同樣會產(chǎn)生串?dāng)_信號，如圖中綠色的近端串?dāng)_信號和綠色的遠(yuǎn)端串?dāng)_信號。這個反射信號產(chǎn)生的近端串?dāng)_信號就位于靜態(tài)線的遠(yuǎn)端，即負(fù)載2。因此負(fù)載2處的串?dāng)_是藍(lán)色遠(yuǎn)端串?dāng)_和綠色近端串?dāng)_的組合，只是它們的源頭不同。

如下圖中，細(xì)線分別是標(biāo)準(zhǔn)的近端串?dāng)_波形和遠(yuǎn)端串?dāng)_波形。粗線是在負(fù)載2上得到的串?dāng)_噪聲，可以看到包含了近端串?dāng)_波形和遠(yuǎn)端串?dāng)_波形。

13多條動態(tài)線對同一條靜態(tài)線的影響

在一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，同一條靜態(tài)線可能會有多條動態(tài)線對其影響，每一條動態(tài)線都會在靜態(tài)線上產(chǎn)生噪聲。下圖是一個案例，有11條線寬和間距都是5mil的50歐姆帶狀線。最中間那條黃色的是靜態(tài)線，其他是動態(tài)線。動態(tài)線上有幅度為3.3V，頻率是100MHz的信號通過。

下圖是：分別當(dāng)1根動態(tài)線上有信號、2根動態(tài)線上有信號、4根動態(tài)線上有信號、10根動態(tài)線上有信號時，靜態(tài)線上的噪聲波形?？梢钥闯?根動態(tài)線信號引起的噪聲接近1根動態(tài)線信號引起噪聲的2倍。而后即使增加到10根動態(tài)線都有信號，對噪聲幅度的影響也不是很大。所以靜態(tài)線左右臨近的動態(tài)線對噪聲幅度影響最大。其他稍遠(yuǎn)點的動態(tài)線對噪聲的影響很小了。以本圖的數(shù)據(jù)看，當(dāng)10根動態(tài)線都有信號時，靠近靜態(tài)線最近的左右兩根動態(tài)線帶來的噪聲占據(jù)全部噪聲的95%。這也提示我們在進行串?dāng)_仿真時，選擇靜態(tài)線附近的2根動態(tài)線，至多選擇4根動態(tài)線就足夠用了。

注：因為是帶狀線，因此基本沒有遠(yuǎn)端噪聲，上圖波形只是近端噪聲。

接下來，針對上例，保持線寬為5mil，線間距增加到10mil（即3W布線），看看結(jié)果是什么。

可以看到2個結(jié)論。

一個是整體的噪聲幅度在下降。之前線寬等于線距時，串?dāng)_系數(shù)是400mv/3.3v=12%。執(zhí)行3W布線后，串?dāng)_系數(shù)下降到100mv/3.3v=3%。換句話說，PCB設(shè)計保持3W原則，只有3%的串?dāng)_噪聲會到達(dá)靜態(tài)線。

另一個是2根動態(tài)線和10根動態(tài)線的影響差不多，即在進行3W布局后，所有的串?dāng)_噪聲都可以說是由距離靜態(tài)線最近的2根動態(tài)線帶來的，其他更遠(yuǎn)的動態(tài)線可以不用考慮其影響了。

14在動態(tài)線和靜態(tài)線之間增加防護線

（一）各種端接的防護布線對噪聲的影響

上述增加動態(tài)線和靜態(tài)線間距（3W原則）是一種降低串?dāng)_噪聲的辦法。之前還提到過盡量使用帶狀線設(shè)計是另一種降低遠(yuǎn)端串?dāng)_噪聲的方法。除此之外，在動態(tài)線和靜態(tài)線之間增加防護線也是一種方法。當(dāng)信號在動態(tài)線上傳輸時，它會將噪聲耦合到防護線上，防護線上的這些噪聲再耦合到靜態(tài)線上。防護線影響了動態(tài)線和靜態(tài)線之間的電場和磁場，最終使耦合電容和耦合電感減小。

通常執(zhí)行3W原則后，可以將串?dāng)_噪聲降低到3%左右。但是在有些設(shè)計中，對此要求更高。例如在射頻接收單元，要求它與數(shù)字信號的隔離度能達(dá)到-100dB，也就是串?dāng)_噪聲系數(shù)在0.001%。通過在動態(tài)線和靜態(tài)線之間增加防護線，有機會將串?dāng)_噪聲降到更低。

一般防護線應(yīng)該盡量寬，這可以增大動態(tài)線和靜態(tài)線之間的距離。在微帶線和帶狀線中都可以插入防護線。不過在微帶線中加入防護線的效果不是很明顯。除了防護線的寬度、距離，防護線兩端的端接方式也對串?dāng)_隔離有影響。常見的防護線端接方式有開路、短路、端接匹配電阻。下圖是一個例子。針對以上幾種情況進行討論。

看不同配置下的波形：當(dāng)動態(tài)線信號幅度為3.3V時，不同配置下的靜態(tài)線噪聲是：

①線寬和線距都是5mil時，噪聲幅度130mV

②線間距拉大到15mil時，噪聲幅度39mV

③插入一條兩端開路的5mil防護線時，噪聲幅度接近40mV

④插入防護線兩端端接50Ω電阻時，噪聲幅度接近25mV

⑤插入防護線兩端短路時，噪聲幅度接近22mV

因此就結(jié)果看，增加動態(tài)線和靜態(tài)線之間的距離、插入兩端短路的防護線，效果最好。為什么呢？

隨著信號沿著動態(tài)線傳輸，噪聲被耦合到防護線。①在防護線上的后向耦合噪聲到達(dá)防護線近端的短路處并且發(fā)生反射，因為短路，反射系統(tǒng)是-1。所以防護線上后向傳輸?shù)慕嗽肼暫陀伤约簬淼那跋騻鬏數(shù)呢?fù)反射近端噪聲（因為短路造成）相互抵消，最終在防護線上的近端噪聲會非常小，甚至消失。這樣在防護線上就沒有多少近端噪聲再被耦合到靜態(tài)線上了。②同樣的在防護線上有前向耦合噪聲向著防護線的遠(yuǎn)端傳輸，當(dāng)?shù)竭_(dá)遠(yuǎn)端時，因為防護線遠(yuǎn)端也是短路的，反射系數(shù)也是-1，遠(yuǎn)端凈噪聲也為零。

注：有些設(shè)計中，兩端開路的防護線和沒有防護線相比，會帶來更多的耦合噪聲。

（二）防護線沿線過孔的影響

防護線上的過孔間距（常見的是在動態(tài)線和靜態(tài)線之間插入的GND線上打via）對噪聲也有影響。因為防護線上的遠(yuǎn)端噪聲只在過孔之間的區(qū)域產(chǎn)生。過孔間距越小，防護線上的最大遠(yuǎn)端噪聲越小。過孔越多，防護線上的遠(yuǎn)端噪聲越小。這意味著從防護線耦合到靜態(tài)線的噪聲也越小。其實這些過孔不直接影響動態(tài)線耦合到靜態(tài)線的噪聲，它們只是抑制防護線上的噪聲幅度。

經(jīng)驗法則是：先計算動態(tài)線信號上升時間的空間延伸距離，而后在防護線上以此距離為單位，每單位至少打3個via。

例如：一個信號的上升時間是1ns，在FR4 PCB上信號速度是6in/ns，則空間延伸距離是6in。那么在防護線上每6in至少需要3個via。再舉一例，如果信號上升時間是0.7ns，那么空間延伸是4.2in，則在防護線上每4.2in需要3個via，即每1.4in打一個via。

看起來隨著信號上升時間越短，過孔間距也需要越小。由此需要考慮過孔數(shù)量和成本的平衡。其實在防護線上增加過孔數(shù)對靜態(tài)線的噪聲影響很小。

總之：當(dāng)設(shè)計中對信號串?dāng)_要求很高時，優(yōu)先走帶狀線，并且增大動態(tài)線和靜態(tài)線距離，而且插入防護線，增大防護線間距。可以將隔離度降低到-160dB，即串?dāng)_噪聲系數(shù)是0.000001%。

另外，防護線和靜態(tài)線的距離會影響靜態(tài)線的阻抗。通常防護線和靜態(tài)線的距離在2倍線寬范圍內(nèi)，對靜態(tài)線的阻抗影響很小。否則，需要通過調(diào)整其他參數(shù)得到合適的靜態(tài)線阻抗。

還有一個信息：使用較小的介電常數(shù)材料，例如從FR4（介電常數(shù)4.5）換成聚酰亞胺（介電常數(shù)為3.5），可以在一定程度上降低串?dāng)_，只不過影響有限。同時為了保證傳輸線在介質(zhì)材料變化后，仍舊保持在50歐姆目標(biāo)阻抗，會縮小信號層和返回路徑層之間的介質(zhì)厚度。

15串?dāng)_帶來的靜態(tài)線上信號延遲

首先看帶狀線。發(fā)生在帶狀線之間的串?dāng)_，不會影響靜態(tài)線上原有信號的速度，也即不會影響它的時序。

不過對于微帶線，串?dāng)_對靜態(tài)線上信號的速度和時序就有影響了。例如三根10in長的50Ω微帶線，線和線間距是5mil。中間藍(lán)色線是靜態(tài)線，兩邊綠色線是動態(tài)線。動態(tài)線上沒有信號時，靜態(tài)線信號本身由于10in長度，造成延遲是1.6ns。動態(tài)線上有信號時，而且信號方向與靜態(tài)線信號同向，靜態(tài)線延遲會增加。動態(tài)線上有信號時，而且信號方向與靜態(tài)線信號反向，靜態(tài)線延遲會減少。

這是由于介質(zhì)材料不對稱（信號線下方是FR4，信號線上方是空氣），和傳輸線之間電磁場不相同造成的。不過只有動態(tài)線和靜態(tài)線之間的距離很近（例如1倍線寬），它們之間的電磁場重疊嚴(yán)重時，串?dāng)_才會影響靜態(tài)線信號時延。

16非均勻返回平面帶來的問題

當(dāng)返回路徑不是均勻平面，或者介質(zhì)材料不均勻時（例如芯片封裝內(nèi)部、連接器和接插件上），回路互感中的感性耦合參數(shù)會變大。導(dǎo)致在和動態(tài)線信號dI/dt相對應(yīng)的返回路徑上發(fā)生地彈。只有減小傳輸線回路互感，才能將返回路徑上的地彈降下來。有幾個方法可以降低回路互感。

①減小回路長度，互感會減小。即選用小尺寸的連接器。

②增加信號線間距，互感會減小。不過這受到PCB尺寸限制。

③減小信號線和它自己的返回路徑之間的距離?；ジ袝p小。

17總結(jié)：降低串?dāng)_的方法

①增加動態(tài)線和靜態(tài)線之間的間距

②使用完整的大平面作為返回路徑

③動態(tài)線和靜態(tài)線之間的耦合長度盡量短

④使用帶狀線布線

⑤使信號路徑阻抗值在目標(biāo)范圍內(nèi)偏下限。

⑥使用介電常數(shù)小的PCB介質(zhì)

⑦動態(tài)線和靜態(tài)線不要共用返回引腳，主要是在芯片封裝內(nèi)部和連接器中。

⑧使用兩端和整條線上有短路過孔的防護線。