電磁仿真之串擾的基礎(chǔ)知識

2021-10-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

反射,損耗,阻抗,是導體/傳輸線自身的問題;串擾(Crosstalk)則是導體/傳輸線之間問題。

串擾的根源:在于電容和電磁感應(yīng),導致別人的噪音傳播到我這里來了。只要與別人挨得近,導線之間、導線與地之間就會有電容,有電容別人的信號就會傳播過來。電感則是電磁感應(yīng),別人的電磁波通過空間傳播到我這個導線,影響到了我。我們要明白如下問題:

1、串擾的根源

2、串擾的度量(測量和仿真)

3、區(qū)別近端、遠端串擾

4、減少串擾的技術(shù)手段

本文借用知乎文章( https://zhuanlan.zhihu.com/p/358531395 ),介紹一下串擾:

前面講過反射,講過損耗。接下來講串擾(Crosstalk)。

話不多說,直接上圖,串擾的分類:

1.定義

一個網(wǎng)絡(luò)傳遞信號,有些電壓和電流通過網(wǎng)絡(luò)之間的耦合(容性耦合和感性耦合),傳遞到相鄰網(wǎng)絡(luò)。

對于相鄰網(wǎng)絡(luò)而言,不管給什么,不是想要的,都會以噪聲的形式耦合過來。

串擾與網(wǎng)絡(luò)的信號路徑及返回路徑與另一個網(wǎng)絡(luò)的信號路徑及返回路徑都有關(guān)系。

這里面有概念的東西:動態(tài)線網(wǎng)&靜態(tài)線網(wǎng);攻擊線網(wǎng)&受害網(wǎng)絡(luò)。

既然說是網(wǎng)絡(luò)之間的耦合(Coupling),那什么是耦合?

耦合簡單來說就是能量從一個介質(zhì)(PCB板,金屬導線等)傳播到另一種介質(zhì)。

耦合分為容性耦合和感性耦合。

實際的工作中,該怎么考慮?或者說哪一種耦合更要注意,也分兩種情況:

① 均勻傳輸線且有均勻很寬的返回路徑,容性耦合和感性耦合相當;

② 非均勻傳輸線,比如接插件或封裝的場合,感性耦合占主導地位。這里面要注意開關(guān)噪聲(SSN):開關(guān)噪聲大多發(fā)生在插件、封裝和過孔處,耦合電感很大。

地彈就是返回,電流重疊出現(xiàn)的一種特殊情況。

2.原因

導線中有電流產(chǎn)生,就會有圍繞在信號路徑和返回路徑導體周圍的磁力線圈。由于信號路徑和返回路徑之間的空間是不封閉的,所以會延伸到周圍的空間,這個延伸出去的空間稱之為邊緣場。

既然是所謂的邊緣場引起的串擾,那么越遠,受的影響就越小。惹不起還躲不起嘛,離它們遠遠的,簡單粗暴。話是這樣說,實際工作中,PCB板走線的密度限制,不可能給你想要的空間。怎么辦?

Intel的規(guī)范給出了一個HSD組內(nèi)的間距還有普通線之間的間距,都是3H。

3.傳輸線串擾

講到傳輸線串擾,下圖是一張必須知道的圖:

NEXT:近端串擾 FEXT:遠端串擾

兩根傳輸線,信號從其中一根傳輸線的一端輸入,遠端放端接消除末端反射。如果不放端接,那就會有反射,至于反射的能量消耗,前文有講過。

噪聲電壓在靜態(tài)線的兩端進行測量。為了區(qū)分兩個末端,把距離源端最近的一端稱為“近端”,也成為信號傳輸方向的“后方”,而把距離源端最遠的一端稱為“遠端”,遠端信號傳輸方向的“前方”。

關(guān)于串擾,很久前做了個視頻:

串擾之近端串擾&遠端串擾

看完視頻,里面有些概念需要說一下。

一對傳輸線,耦合區(qū)域的總時長為TD,當信號的上升邊RT 是2xTD時,或者說耦合長度是上升邊空間延伸的一半,那這個長度為飽和長度。

Lensat 表示近端串擾的飽和長度(單位為in),RT表示信號上升邊(單位為ns),V表示信號在動態(tài)線上的傳播速度(單位為in/ns)。

噪聲電壓即近端串擾幅值(NEXT)達到一個穩(wěn)定值,當耦合長度大于飽和長度。

當耦合長度小于飽和長度,則電壓峰值將小于NEXT。

遠端噪聲以脈沖形式出現(xiàn),信號進入算起,一直要經(jīng)過TD時延之后才會出現(xiàn)噪聲。噪聲在靜態(tài)線上的傳播速度與信號的速度相等。

FEXT遠端噪聲幅值除了跟遠端噪聲峰值電壓與信號電壓比值有關(guān),還與另兩個外在參數(shù)(耦合長度和上升邊)呈比例變化。

這里需要強調(diào)一點:

因為感性耦合電流的方向是從返回路徑到信號路徑,呈逆時針方向,這與容性耦合電流的方向相反。所以,在遠端的凈噪聲是容性耦合噪聲與感性耦合噪聲之差。

4.總結(jié):

產(chǎn)品的更新?lián)Q代,通過調(diào)整飽和長度和上升時間(RT)來管控的情況已經(jīng)很少了,所以我們能做的大多數(shù)就是調(diào)整線距來控制串擾,而調(diào)整線距確實可以減小串擾。

需要說明的是,想用的是3H原則。只不過很不巧,竟然也符合3W原則。

實際工作中,串擾的管控除了重點關(guān)注線間距,返回路徑也需要注意。至于帶狀線層布線,使用介電常數(shù)較低的材料等,這些深入且細節(jié)的知識,后面有機會再講。

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補充關(guān)于3W/3H原則:

3W 是線與線之間的距離保持 3 倍線寬,3H 指的是到主參考平面的高度,中心間距的3倍。都是為了減少線間串擾, 應(yīng)保證線間距足夠大, 如果線中心距不少于 3 倍線寬時,則可保持 70% 的線間電場不互相干擾,稱為 3W 規(guī)則。如要達到 98% 的電場不互相干擾,可使用 10W 規(guī)則。還有20H原則:20H規(guī)則是指電源層內(nèi)縮,當然也是為抑制邊緣輻射效應(yīng)。電源層與地層之間的電場是變化的,在板的邊緣會向外輻射電磁干擾。將電源層內(nèi)縮,使得電場只在接地層的范圍內(nèi)傳導。以一個H(電源和地之間的介質(zhì)厚度)為單位,若內(nèi)縮20H則可以將70%的電場限制在接地邊沿內(nèi);內(nèi)縮100H則可以將98%的電場限制在內(nèi)。

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