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高速PCB设计指南-高速数字系统的串音控制

作者:  时间:2009-02-26 20:08  来源:52RD硬件研发

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,印刷电路板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?
      当信号沿着印刷电路板的布线传播时,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。在印刷电路板中,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。 
      在印刷电路板中,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,例如印刷电路板的材料,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,尤其对於长条形电路板,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。在印刷电路板中,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.

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