信号完整性系列之“串扰”

硬件助手 2020-10-19 00:00

【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的能源设施应用方案 【TI资料】基于新型C29内核的MCU技术资料

本文主要介绍串扰的概念，及其FEXT、NEXT等，以及串扰的消除措施。

串扰

串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰。这种干扰是由于两条信号线间的耦合，即信号线之间互感和互容耦合引起的。容性耦合（当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时，干扰源与信号电路之间就存在容性（电场）耦合，这时干扰电压线电容耦合到信号电路，形成干扰源）引发耦合电流，而感性耦合（当干扰源是以电流形式出现的，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰）则产生耦合电压。由于自身的逻辑电平发生变化，对其他信号产生影响的信号线称为“攻击线”（Aggressor），即干扰线。受到影响而导致自身逻辑电平发生异常的信号连线我们称为“受害线”（Victim），即被干扰线。串扰噪声从干扰对象上通过交叉耦合到被干扰对象上，表现为在一根信号线上有信号通过时，在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的信号。

串扰由一条线到另一条线的能量耦合的方式主要分为电场（electric field）和磁场（magnetic field）。由于走线之间存在着互容（Mutual capacitance）和互感（Mutual inductance），一条走线上的AC信号便会从这些分布的互容和互感传递到另一根被干扰线（victim net）上。串扰可分为容性耦合串扰和感性耦合串扰两类。

静态网络靠近干扰源一端的串扰称为近端串扰(也称后向串扰NEXT)，而远离干扰源一端的串扰称为远端串扰(或称前向串扰FEXT)。

当干扰源状态变化时，会在被干扰对象上产生一串扰脉冲，在高速系统中，这种现象很普遍。通常，依赖于干扰源和被干扰源上信号的跳变，被干扰线上产生四种类型的影响：正的短时脉冲，负的短时脉冲，上升时延，下降时延，如下图所示：

串扰的来源

当信号沿着传输线传播时，在信号路径与返回路径之间存在电场和磁场。这些场的分布不仅仅限于信号和返回路径之间的空间内，而是在周围空间延伸。我们把这些延伸出去的场称为边缘场。

如果将两导线的间距加大，可看到边缘场的强度大大减弱。

第2根线处在边缘场的附近时，就有过多的耦合和串扰。归根结底，边缘场是引起串扰的根本原因。减小串扰最重要的方法就是使网络间的间距足够远，使其边缘场降低到可以接受的范围。

在系统中的每两个网络之间，总会有边缘场产生的电感耦合和电容耦合。我们把耦合电感和耦合电容分别叫做互感和互容。

串扰的消除

解决容性串扰，主要加大线间距，在PCB上的布线要遵循3W原则，即两个传输线的线中心之间的距离要大于3倍的传输线的线宽。对系统中关键传输线，可以改用差分线传输以减少其它传输线对它的串扰；也可以对关键线的中间加地线保护以减少串扰。
解决感性串扰，主要减小回路面积，减小互感。例如，在芯片的电源的去耦电容，通过电容提供回流通道，可以减少回路面积，减小互感。
尽可能地减少相邻传输线间的平行距离（累积的平行距离），最好在不同层间走线，相邻两层的信号层（中间没有平面层隔离）走线方向应该相互正交，以减少层间的串扰。
在保证传输线特征阻抗的同时，使布线层与参考平面（电源平面或地平面）间的介质层尽可能的薄，这样就加大了传输线与参考平面间的耦合度，从而减少相邻传输线间的耦合。
在保证信号时序的情况下，尽可能选择转换速度低的元器件，这样电场与磁场的变化速度慢一点，从而降低串扰。由于信号上升时间是造成SI 问题的主要原因，所以在满足系统设计指标的情况下，应该尽可能选取信号上升沿较慢的器件。
可能的话，尽量少在表层走线，走带状线或嵌入式微带线，因为表层线的电场耦合比中间层的要强（表层线只有一个参考平面），内层走线可以消除传播速度的变化。