PCB上串扰产生的三种机制

原创 加油射频工程师 2022-11-14 12:40

PCB上的串扰的产生机制,可以认为有三种:电感耦合,电容耦合还有共阻耦合(common-impedance coupling)。


电感/电容耦合

假设两条微带线,中心到中心的距离为d,如下图所示。

当信号沿着传输线传播时,微带线周围开始有电场线和磁场线。

但是,这些电场线和磁场线并不是只在信号和它相关的回路中,而是会延伸到周围区域。如下图所示。

从传输线发出的电场终止与任何相邻的金属结构;传输线周围的磁场也会部分环绕在任何相邻的金属结构周围。


那如果相邻的金属结构恰好是一根信号传输线呢?

则该根传输线会由于接收到的施扰微带线产生的电磁场,而产生相应的电流和电压。


很显然,如果两条传输线之间的间隔增加,信号传输线接收到的场会迅速下降。


但是,如果它们足够近,则相邻信号传输线则会上产生的干扰电流。而这些干扰电流,和传输线上本来的信号电流一样,也会经历反射、失真和辐射。

也就是说,如果有个很脏的微带线A,它旁边有个很干净的微带线B,则B就会被A弄脏,而且如果B正好靠近输出端,则B就会把从A耦合过来的噪声辐射出去。


微带线之间的电场和磁场耦合,分别被称为电容和电感耦合。 

电容耦合和电感耦合,它们各自对串扰的影响很大程度上取决于电路布局。


下图所示,是串扰的简化模型,包含了PCB上传输线之间的电容和电感耦合。

CG,存在于微带线和参考平面之间,会影响微带线的特性阻抗和信号传播延迟。

CM,  存在于微带线之间,是不希望的电容耦合。

LA和LV分别代表施扰和受扰微带线的自感,会影响微带线的特性阻抗和信号传播延迟。

LM,代表两跟微带线之间的互感 LM ,会导致两个电路之间的电感耦合。


在电小尺寸的微带线中,电容耦合表现为与受扰线并联的电流源,电感耦合表现为与受扰线串联的电压源。

具体关系,如下列式子所示:

其中,IC和VL分别是受扰微带线中的电容感应电流和电感感应电压,这是由于施扰微带线中的源电压 VS 和电流 IS 的变化而引起的。


实际情况中,电容和电感串扰机制同时存在。


电容耦合,在受扰微带线上产生的电容感应电流会向两端传播,即分别向前传播、朝向远端ICF,和向后传播、朝向近端ICN。

电感耦合,在受扰微带线上产生的电感感应电压,在受扰微带线上产生电流(ILF,ILN),其方向与IS相反。(参考文献中,IILF,ILN的方向可能标注错了,这里改了一下,上图红色标注)


因此,电容耦合和电感耦合信号在向后传播时,电流叠加,耦合增强;在前向传播时,电流趋于抵消。

向后流动的总耦合信号称为“反向串扰”或“近端串扰”(NEXT),而向前流动(实际上抵消)的总耦合信号称为“前向串扰”或“远端串扰” ”(FEXT)。 


近端串扰和远端串扰的特征显着不同:近端串扰是一个恒定幅度的脉冲,其脉冲宽度为走线之间耦合区域传播时间的两倍,而远端串扰的特点是窄脉冲,其宽度等于干扰信号的transition time,信号度随着走线之间的耦合区域的增加而增加。


那怎样减少电感和电容耦合呢?

答案就是,减小微带线和参考平面的距离。

微带线与参考平面之间距离减小,CG增加,电容耦合显著减小。 

微带线与参考平面之间距离减小,参考平面成为首选返回路径,电感耦合也大大减少。


在数字电路中,由于数字驱动器的低阻抗特性,电感耦合比电容耦合更占主导地位,而电容耦合在高阻抗(通常是模拟)电路中更占主导地位。


共阻抗耦合

PCB 中的第三种也是非常重要的耦合机制是共阻抗耦合。

 

施扰微带线的回流路径和受扰微带线的回流路径公用一部分,从而产生共阻抗耦合。

当嘈杂的大电流(例如数字)电路与敏感(例如模拟)电路共享公共返回路径时,结果就是,歇菜。


高频信号的回流,大部分存在于微带线下方的参考平面上,但是有一小部分,会扩散到两侧。

其在参考平面上的回流密度,可由下式表示:

如上图所示,JGP(d)A和JGP(d)V分别是施扰微带线和受扰微带线的电流密度分布。两者交叠的部分,即上图中的灰色部分,即是"影响区域",这部分决定了两根微带线之间的影响程度。


施扰微带线回流的一部分,在受扰回流路径中流动,因此施扰微带线上的噪声就被耦合到受扰微带线中。

举个例子(感觉原文中的数据有点错误,这边按照我的理解改了一下):

假设一个高速大电流的MCU和模拟电路公用一个参考平面。模拟电路中包含一个24 位 A/D 转换器,假设其电源为1V,则其最低有效位相当于为1/2^24=59nV。

假设参考平面的阻抗为40uohm,则59nV对应电流为1.5mA。

假设,MCU需要10A的电流,则1.5mA,相等于10A的数字电流的 0.015%。

为了避免干扰,必须增加数字和模拟迹线之间的必要间隔 d,以便 99.985% 的数字回流包含在距信号迹线中心线的距离内d。

假设高度h为10 mil ,这需要大于 200 mil(或 5 mm)的间距 d。这个宽度,在现代 PCB 设计中几乎不可能实现。

此时,分割参考平面,是一种解决这种矛盾的方法。


参考文献:grounds for grounding

评论
  • RGB灯光无法同步?细致的动态光效设定反而成为产品客诉来源!随着科技的进步和消费者需求变化,电脑接口设备单一功能性已无法满足市场需求,因此在产品上增加「动态光效」的形式便应运而生,藉此吸引消费者目光。这种RGB灯光效果,不仅能增强电脑周边产品的视觉吸引力,还能为用户提供个性化的体验,展现独特自我风格。如今,笔记本电脑、键盘、鼠标、鼠标垫、耳机、显示器等多种电脑接口设备多数已配备动态光效。这些设备的灯光效果会随着音乐节奏、游戏情节或使用者的设置而变化。想象一个画面,当一名游戏玩家,按下电源开关,整
    百佳泰测试实验室 2025-02-27 14:15 140浏览
  • 构建巨量的驾驶场景时,测试ADAS和AD系统面临着巨大挑战,如传统的实验设计(Design of Experiments, DoE)方法难以有效覆盖识别驾驶边缘场景案例,但这些边缘案例恰恰是进一步提升自动驾驶系统性能的关键。一、传统解决方案:静态DoE标准的DoE方案旨在系统性地探索场景的参数空间,从而确保能够实现完全的测试覆盖范围。但在边缘案例,比如暴露在潜在安全风险的场景或是ADAS系统性能极限场景时,DoE方案通常会失效,让我们看一些常见的DoE方案:1、网格搜索法(Grid)实现原理:将
    康谋 2025-02-27 10:00 253浏览
  •           近日受某专业机构邀请,参加了官方举办的《广东省科技创新条例》宣讲会。在与会之前,作为一名技术工作者一直认为技术的法例都是保密和侵权方面的,而潜意识中感觉法律有束缚创新工作的进行可能。通过一个上午学习新法,对广东省的科技创新有了新的认识。广东是改革的前沿阵地,是科技创新的沃土,企业是创新的主要个体。《广东省科技创新条例》是广东省为促进科技创新、推动高质量发展而制定的地方性法规,主要内容包括: 总则:明确立法目
    广州铁金刚 2025-02-28 10:14 107浏览
  • 振动样品磁强计是一种用于测量材料磁性的精密仪器,广泛应用于科研、工业检测等领域。然而,其测量准确度会受到多种因素的影响,下面我们将逐一分析这些因素。一、温度因素温度是影响振动样品磁强计测量准确度的重要因素之一。随着温度的变化,材料的磁性也会发生变化,从而影响测量结果的准确性。因此,在进行磁性测量时,应确保恒温环境,以减少温度波动对测量结果的影响。二、样品制备样品的制备过程同样会影响振动样品磁强计的测量准确度。样品的形状、尺寸和表面处理等因素都会对测量结果产生影响。为了确保测量准确度,应严格按照规
    锦正茂科技 2025-02-28 14:05 148浏览
  • 一、VSM的基本原理震动样品磁强计(Vibrating Sample Magnetometer,简称VSM)是一种灵敏且高效的磁性测量仪器。其基本工作原理是利用震动样品在探测线圈中引起的变化磁场来产生感应电压,这个感应电压与样品的磁矩成正比。因此,通过测量这个感应电压,我们就能够精确地确定样品的磁矩。在VSM中,被测量的样品通常被固定在一个震动头上,并以一定的频率和振幅震动。这种震动在探测线圈中引起了变化的磁通量,从而产生了一个交流电信号。这个信号的幅度和样品的磁矩有着直接的关系。因此,通过仔细
    锦正茂科技 2025-02-28 13:30 104浏览
  • 更多生命体征指标风靡的背后都只有一个原因:更多人将健康排在人生第一顺位!“AGEs,也就是晚期糖基化终末产物,英文名Advanced Glycation End-products,是存在于我们体内的一种代谢产物” 艾迈斯欧司朗亚太区健康监测高级市场经理王亚琴说道,“相信业内的朋友都会有关注,最近该指标的热度很高,它可以用来评估人的生活方式是否健康。”据悉,AGEs是可穿戴健康监测领域的一个“萌新”指标,近来备受关注。如果站在学术角度来理解它,那么AGEs是在非酶促条件下,蛋白质、氨基酸
    艾迈斯欧司朗 2025-02-27 14:50 415浏览
  • Matter 协议,原名 CHIP(Connected Home over IP),是由苹果、谷歌、亚马逊和三星等科技巨头联合ZigBee联盟(现连接标准联盟CSA)共同推出的一套基于IP协议的智能家居连接标准,旨在打破智能家居设备之间的 “语言障碍”,实现真正的互联互通。然而,目标与现实之间总有落差,前期阶段的Matter 协议由于设备支持类型有限、设备生态协同滞后以及设备通信协议割裂等原因,并未能彻底消除智能家居中的“设备孤岛”现象,但随着2025年的到来,这些现象都将得到完美的解决。近期,
    华普微HOPERF 2025-02-27 10:32 227浏览
  • 应用趋势与客户需求,AI PC的未来展望随着人工智能(AI)技术的日益成熟,AI PC(人工智能个人电脑)逐渐成为消费者和企业工作中的重要工具。这类产品集成了最新的AI处理器,如NPU、CPU和GPU,并具备许多智能化功能,为用户带来更高效且直观的操作体验。AI PC的目标是提升工作和日常生活的效率,通过深度学习与自然语言处理等技术,实现更流畅的多任务处理、实时翻译、语音助手、图像生成等功能,满足现代用户对生产力和娱乐的双重需求。随着各行各业对数字转型需求的增长,AI PC也开始在各个领域中显示
    百佳泰测试实验室 2025-02-27 14:08 261浏览
  • 1,微软下载免费Visual Studio Code2,安装C/C++插件,如果无法直接点击下载, 可以选择手动install from VSIX:ms-vscode.cpptools-1.23.6@win32-x64.vsix3,安装C/C++编译器MniGW (MinGW在 Windows 环境下提供类似于 Unix/Linux 环境下的开发工具,使开发者能够轻松地在 Windows 上编写和编译 C、C++ 等程序.)4,C/C++插件扩展设置中添加Include Path 5,
    黎查 2025-02-28 14:39 145浏览
  • 在物联网领域中,无线射频技术作为设备间通信的核心手段,已深度渗透工业自动化、智慧城市及智能家居等多元场景。然而,随着物联网设备接入规模的不断扩大,如何降低运维成本,提升通信数据的传输速度和响应时间,实现更广泛、更稳定的覆盖已成为当前亟待解决的系统性难题。SoC无线收发模块-RFM25A12在此背景下,华普微创新推出了一款高性能、远距离与高性价比的Sub-GHz无线SoC收发模块RFM25A12,旨在提升射频性能以满足行业中日益增长与复杂的设备互联需求。值得一提的是,RFM25A12还支持Wi-S
    华普微HOPERF 2025-02-28 09:06 156浏览
  • 在2024年的科技征程中,具身智能的发展已成为全球关注的焦点。从实验室到现实应用,这一领域正以前所未有的速度推进,改写着人类与机器的互动边界。这一年,我们见证了具身智能技术的突破与变革,它不仅落地各行各业,带来新的机遇,更在深刻影响着我们的生活方式和思维方式。随着相关技术的飞速发展,具身智能不再仅仅是一个技术概念,更像是一把神奇的钥匙。身后的众多行业,无论愿意与否,都像是被卷入一场伟大变革浪潮中的船只,注定要被这股汹涌的力量重塑航向。01为什么是具身智能?为什么在中国?最近,中国具身智能行业的进
    艾迈斯欧司朗 2025-02-28 15:45 226浏览
  •         近日,广电计量在聚焦离子束(FIB)领域编写的专业著作《聚焦离子束:失效分析》正式出版,填补了国内聚焦离子束领域实践性专业书籍的空白,为该领域的技术发展与知识传播提供了重要助力。         随着芯片技术不断发展,芯片的集成度越来越高,结构也日益复杂。这使得传统的失效分析方法面临巨大挑战。FIB技术的出现,为芯片失效分析带来了新的解决方案。它能够在纳米尺度上对芯片进行精确加工和分析。当芯
    广电计量 2025-02-28 09:15 132浏览
  • 美国加州CEC能效跟DOE能效有什么区别?CEC/DOE是什么关系?美国加州CEC能效跟DOE能效有什么区别?CEC/DOE是什么关系?‌美国加州CEC能效认证与美国DOE能效认证在多个方面存在显著差异‌。认证范围和适用地区‌CEC能效认证‌:仅适用于在加利福尼亚州销售的电器产品。CEC认证的范围包括制冷设备、房间空调、中央空调、便携式空调、加热器、热水器、游泳池加热器、卫浴配件、光源、应急灯具、交通信号模块、灯具、洗碗机、洗衣机、干衣机、烹饪器具、电机和压缩机、变压器、外置电源、消费类电子设备
    张工nx808593 2025-02-27 18:04 120浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦