高速PCB设计中串音的控制（一）

内容：在高频电路中，串音可能是最难理解和预测的，但是，它可以被控制甚至被消除掉。 随着切换速度的加快，现代数字系统遇到了一系列难题，例如：信号反射、延迟衰落、串音、和电磁兼容失效等等。当集成电路的切换时间下降到5纳秒或4纳秒或更低时，印刷本身的固有特性开始显现出来。不幸的是，这些特性是有害的，在设计过程中应该尽量设法避开。在高频电路中，串音可能是最难理解和预测的，但是，它可以被控制甚至被消除掉。 1、 串音由何引起？ 当信号沿着印刷的布线传播时，其电磁波也沿着布线传播，从集成电路芯片一端传到线的另一端。在传播过程中，由於电磁感应，电磁波引起了瞬变的电压和电流。 电磁波包括随时间变化的电场和磁场。在印刷中，实际上，电磁场并不限制在各种布线内，有相当一部分的电磁场能量存在於布线之外。所以，如果附近有其它线路，当信号沿一根导线传播时，其电场和磁场将会影响到其它线路。根据麦克斯韦尔方程，时变电及磁场会使邻近导产生电压和电流，因此，信号传播过程中伴随的电磁场将会使邻近线路产生信号，这样，就导致了串音。 在印刷中，引起串音的线路通常称为“侵入者”。受串音干扰的线路通常称为“受害者”。在任何“受害者”中的串音信号都可被分为前向串音信号和後向串音信号，这两种信号部分地由於电容耦合和电感耦合引起。串音信号的数学描述是非常复杂的，但是，如同湖面上的高速快艇，前向和後向串音信号的某些量化特徵还是能被人们所理解。 高速快艇对水产生两种影响。首先，快艇在船头激起浪花，弧形的涟漪好像随着快艇一起前进；其次，当快艇行驶一段时间後，会在身後留下长长的水迹。 这很类似於信号通过“侵入者”时， “受害者”的反应。“受害者”中有两种串音信号：位於侵入信号之前的前向信号，像船头的水和涟漪；落後於侵入信号的後向信号，像船开远後仍在湖中的水迹。 2、前向串音的电容特性 前向串音表现为两种相互关联的特性：容性和感性。“侵入”信号前进时，在“受害者”中产生与之同相的电压信号，这个信号的速度与“侵入”信号相同，但又始终位於“侵入”信号之前。这意味着串音信号不会提前传播，而是和“侵入”信号同速并耦合入更多的能量。由於“侵入”信号的变化引起串音信号，所以前向串音脉冲不是单极性的，而是具有正负两个极性。脉冲持续时间等於“侵入”信号的切换时间。 导线间的耦合电容决定了前向串音脉冲的幅值，而耦合电容是由许多因素决定的，例如印刷的材料，几何尺寸，线路交叉位置等等。幅值和平行线路间的距离成比例：距离越长，串音脉冲就越大。然而，串音脉冲幅值有一个上限，因为“侵入”信号渐渐地失去了能量，而“受害者”又反过来耦合回“侵入者”。 前向串音的电感特性 当“侵入”信号传播时，它的时变磁场同样会产生串音：具有电感特性的前向串音。但是感性串音和容性串音明显不同：前向感性串音的极性和前向容性串音的极性相反。这因为在前进方向，串音的容性部分和感性部分在竞争，在相互抵消。实际上，当前向容性和感性串音相等时，就不存在前向串音。 在许多设备中，前向串音相当小，而後向串音成了主要问题，尤其对於长条形，因为电容耦合增强了。但是，在没有仿真的前提下，实际无法知道感性和容性串音抵消到何种程度。 如果你测到了前向串音，你就可以根据其极性判别你的走线是容性耦合还是感性耦合。如果串音极性和“侵入”信号相同，容性耦合占主要地位，反之，感性耦合占主要地位。在印刷中，通常是感性耦合更强些。 後向串音发生的物理理和前向串音相同：“侵入”信号的时变电场和磁场引起“受害者”中的感性和容性信号。但是这两者之间也有所不同。 最大的不同是後向串音信号的持续时间。因为前向串音和“侵入”信号的传播方向及速度相同，所以前向串音的持续时间和“侵入”信号等长。但是，後向串音和“侵入”信号反方向传播，它滞後於“侵入”信号，并引起一长串脉冲。 与前向串音不同，後向串音脉冲的幅值与线路长度无关，其脉冲持续期是“侵入”信号延迟时间的两倍。为什麽呢？假设你从信号出发点观察後向串音，当“侵入”信号远离出发点时，它仍在产生後向脉冲，直到另一个延迟信号出现。这样，後向串音脉冲的整个持续时间就是“侵入”信号延迟时间的两倍。 3、後向串音的反射 你可能不关心驱动芯片和接收芯片的串音干扰。然而，你为什麽要关心後向脉冲呢？因为驱动芯片一般是低阻输出，它反射的串音信号多於吸收的串音信号。当後向串音信号到达“受害者”的驱动芯片时，它会反射到接收芯片。因为驱动芯片的输出电阻一般低於导线本身，常常引起串音信号的反射。与前向串音信号具有感性和容性两种特性不同，後向串音信号只有一个极性，所以後向串音信号就不能自我抵消。後向串音信号及其反射之後的串音信号的极性和“侵入”信号相同，其幅值是两部分之和。 切记，当你在“受害者”的接收端测到後向串音脉冲时，这个串音信号已经经过了“受害者”驱动芯片的反射。你可以观察到後向串音信号的极性和“侵入”信号相反。 在数字设计时，你常常关心一些量化指标，例如：不管串音是如何产生，何时产生，前向还是後向的，它的最大噪声容限为150mV。那麽，存在简单的能够精确衡量噪声的方法吗？简单的回答是“没有”，因为电磁场效应太复杂了，涉及到一系列方程，的拓扑结构，芯片的模拟特性等等。