電磁仿真之串擾的基礎知識

2021-10-13  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

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,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,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、區別近端、遠端串擾

4、減少串擾的技術手段

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

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

對于相鄰網絡而言,不管給什么,不是想要的,都會以噪聲的形式耦合過來。

串擾與網絡的信號路徑及返回路徑與另一個網絡的信號路徑及返回路徑都有關系。

這里面有概念的東西:動態線網&靜態線網;攻擊線網&受害網絡。

既然說是網絡之間的耦合(Coupling),那什么是耦合?

耦合簡單來說就是能量從一個介質(PCB板,金屬導線等)傳播到另一種介質。

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。這里面要注意開關噪聲(SSN):開關噪聲大多發生在插件、封裝和過孔處,耦合電感很大。

地彈就是返回,電流重疊出現的一種特殊情況。

2.原因

導線中有電流產生,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的規范給出了一個HSD組內的間距還有普通線之間的間距,都是3H。

3.傳輸線串擾

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。

噪聲電壓在靜態線的兩端進行測量。為了區分兩個末端,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,信號進入算起,一直要經過TD時延之后才會出現噪聲。噪聲在靜態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,還與另兩個外在參數(耦合長度和上升邊)呈比例變化。

這里需要強調一點:

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:

產品的更新換代,通過調整飽和長度和上升時間(RT)來管控的情況已經很少了,所以我們能做的大多數就是調整線距來控制串擾,而調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,使用介電常數較低的材料等,這些深入且細節的知識,后面有機會再講。

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補充關于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 規則。如要達到 98% 的電場不互相干 擾,可使用 10W 規則。還有20H原則:20H規則是指電源層內縮,當然也是為抑制邊緣輻射效應。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。將電源層內縮,使得電場只在接地層的范圍內傳導。以一個H(電源和地之間的介質厚度)為單位,若內縮20H則可以將70%的電場限制在接地邊沿內;內縮100H則可以將98%的電場限制在內。

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