信號完整性之串擾(三)

12為什么靜態(tài)線遠端會出現近端串擾噪聲

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

如下圖。藍色信號是從動態(tài)線近端，通過傳輸線發(fā)送到負載1。在信號傳輸的過程中，在靜態(tài)線產生藍色的近端串擾信號和藍色的遠端串擾信號。當藍色信號到達負載1時，會有些許的反射信號（綠色信號）從負載1傳回到信號源。這些反射信號在靜態(tài)線同樣會產生串擾信號，如圖中綠色的近端串擾信號和綠色的遠端串擾信號。這個反射信號產生的近端串擾信號就位于靜態(tài)線的遠端，即負載2。因此負載2處的串擾是藍色遠端串擾和綠色近端串擾的組合，只是它們的源頭不同。

如下圖中，細線分別是標準的近端串擾波形和遠端串擾波形。粗線是在負載2上得到的串擾噪聲，可以看到包含了近端串擾波形和遠端串擾波形。

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。其他稍遠點的動態(tài)線對噪聲的影響很小了。以本圖的數據看，當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)線帶來的噪聲占據全部噪聲的95%。這也提示我們在進行串擾仿真時，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），看看結果是什么。

可以看到2個結論。

一個是整體的噪聲幅度在下降。之前線寬等于線距時，串擾系數是400mv/3.3v=12%。執(zhí)行3W布線后，串擾系數下降到100mv/3.3v=3%。換句話說，PCB設計保持3W原則，只有3%的串擾噪聲會到達靜態(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，所有的串擾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）是一種降低串擾噪聲的辦法。之前還提到過盡量使用帶狀線設計是另一種降低遠端串擾噪聲的方法。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，可以將串擾噪聲降低到3%左右。但是在有些設計中，對此要求更高。例如在射頻接收單元，要求它與數字信號的隔離度能達到-100dB，也就是串擾噪聲系數在0.001%。通過在動態(tài)線和靜態(tài)線之間增加防護線，有機會將串擾噪聲降到更低。

一般防護線應該盡量寬，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擾隔離有影響。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的近端噪聲和由它自己帶來的前向傳輸的負反射近端噪聲（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端傳輸，當到達遠端時，因為防護線遠端也是短路的，反射系數也是-1，遠端凈噪聲也為零。

注：有些設計中，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。因為防護線上的遠端噪聲只在過孔之間的區(qū)域產生。過孔間距越小，防護線上的最大遠端噪聲越小。過孔越多，防護線上的遠端噪聲越小。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量和成本的平衡。其實在防護線上增加過孔數對靜態(tài)線的噪聲影響很小。

總之：當設計中對信號串擾要求很高時，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?？梢詫⒏綦x度降低到-160dB，即串擾噪聲系數是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，對靜態(tài)線的阻抗影響很小。否則，需要通過調整其他參數得到合適的靜態(tài)線阻抗。

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

15串擾帶來的靜態(tài)線上信號延遲

首先看帶狀線。發(fā)生在帶狀線之間的串擾，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，串擾對靜態(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重時，串擾才會影響靜態(tài)線信號時延。

16非均勻返回平面帶來的問題

當返回路徑不是均勻平面，或者介質材料不均勻時（例如芯片封裝內部、連接器和接插件上），回路互感中的感性耦合參數會變大。導致在和動態(tài)線信號dI/dt相對應的返回路徑上發(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。互感會減小。

17總結：降低串擾的方法

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范圍內偏下限。

⑥使用介電常數小的PCB介質

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。