电磁仿真之串扰的基础知识

2021-10-13 by:CAE仿真在线来源:互联网

反射,损耗,阻抗,是导体/传输线自身的问题;串扰(Crosstalk)则是导体/传输线之间问题。

串扰的根源:在于电容和电磁感应,导致别人的噪音传播到我这里来了。只要与别人挨得近,导线之间、导线与地之间就会有电容,有电容别人的信号就会传播过来。电感则是电磁感应,别人的电磁波通过空间传播到我这个导线,影响到了我。我们要明白如下问题:

1、串扰的根源

2、串扰的度量(测量和仿真)

3、区别近端、远端串扰

4、减少串扰的技术手段

本文借用知乎文章( https://zhuanlan.zhihu.com/p/358531395 ),介绍一下串扰:

前面讲过反射,讲过损耗。接下来讲串扰(Crosstalk)。

话不多说,直接上图,串扰的分类:

1.定义

一个网络传递信号,有些电压和电流通过网络之间的耦合(容性耦合和感性耦合),传递到相邻网络。

对于相邻网络而言,不管给什么,不是想要的,都会以噪声的形式耦合过来。

串扰与网络的信号路径及返回路径与另一个网络的信号路径及返回路径都有关系。

这里面有概念的东西:动态线网&静态线网;攻击线网&受害网络。

既然说是网络之间的耦合(Coupling),那什么是耦合?

耦合简单来说就是能量从一个介质(PCB板,金属导线等)传播到另一种介质。

耦合分为容性耦合和感性耦合。

实际的工作中,该怎么考虑?或者说哪一种耦合更要注意,也分两种情况:

① 均匀传输线且有均匀很宽的返回路径,容性耦合和感性耦合相当;

② 非均匀传输线,比如接插件或封装的场合,感性耦合占主导地位。这里面要注意开关噪声(SSN):开关噪声大多发生在插件、封装和过孔处,耦合电感很大。

地弹就是返回,电流重叠出现的一种特殊情况。

2.原因

导线中有电流产生,就会有围绕在信号路径和返回路径导体周围的磁力线圈。由于信号路径和返回路径之间的空间是不封闭的,所以会延伸到周围的空间,这个延伸出去的空间称之为边缘场。

既然是所谓的边缘场引起的串扰,那么越远,受的影响就越小。惹不起还躲不起嘛,离它们远远的,简单粗暴。话是这样说,实际工作中,PCB板走线的密度限制,不可能给你想要的空间。怎么办?

Intel的规范给出了一个HSD组内的间距还有普通线之间的间距,都是3H。

3.传输线串扰

讲到传输线串扰,下图是一张必须知道的图:

NEXT:近端串扰 FEXT:远端串扰

两根传输线,信号从其中一根传输线的一端输入,远端放端接消除末端反射。如果不放端接,那就会有反射,至于反射的能量消耗,前文有讲过。

噪声电压在静态线的两端进行测量。为了区分两个末端,把距离源端最近的一端称为“近端”,也成为信号传输方向的“后方”,而把距离源端最远的一端称为“远端”,远端信号传输方向的“前方”。

关于串扰,很久前做了个视频:

串扰之近端串扰&远端串扰

看完视频,里面有些概念需要说一下。

一对传输线,耦合区域的总时长为TD,当信号的上升边RT 是2xTD时,或者说耦合长度是上升边空间延伸的一半,那这个长度为饱和长度。

Lensat 表示近端串扰的饱和长度(单位为in),RT表示信号上升边(单位为ns),V表示信号在动态线上的传播速度(单位为in/ns)。

噪声电压即近端串扰幅值(NEXT)达到一个稳定值,当耦合长度大于饱和长度。

当耦合长度小于饱和长度,则电压峰值将小于NEXT。

远端噪声以脉冲形式出现,信号进入算起,一直要经过TD时延之后才会出现噪声。噪声在静态线上的传播速度与信号的速度相等。

FEXT远端噪声幅值除了跟远端噪声峰值电压与信号电压比值有关,还与另两个外在参数(耦合长度和上升边)呈比例变化。

这里需要强调一点:

因为感性耦合电流的方向是从返回路径到信号路径,呈逆时针方向,这与容性耦合电流的方向相反。所以,在远端的净噪声是容性耦合噪声与感性耦合噪声之差。

4.总结:

产品的更新换代,通过调整饱和长度和上升时间(RT)来管控的情况已经很少了,所以我们能做的大多数就是调整线距来控制串扰,而调整线距确实可以减小串扰。

需要说明的是,想用的是3H原则。只不过很不巧,竟然也符合3W原则。

实际工作中,串扰的管控除了重点关注线间距,返回路径也需要注意。至于带状线层布线,使用介电常数较低的材料等,这些深入且细节的知识,后面有机会再讲。

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补充关于3W/3H原则:

3W 是线与线之间的距离保持 3 倍线宽,3H 指的是到主参考平面的高度,中心间距的3倍。都是为了减少线间串扰, 应保证线间距足够大, 如果线中心距不少于 3 倍线宽时,则可保持 70% 的线间电场不互相干扰,称为 3W 规则。如要达到 98% 的电场不互相干扰,可使用 10W 规则。还有20H原则:20H规则是指电源层内缩,当然也是为抑制边缘辐射效应。电源层与地层之间的电场是变化的,在板的边缘会向外辐射电磁干扰。将电源层内缩,使得电场只在接地层的范围内传导。以一个H(电源和地之间的介质厚度)为单位,若内缩20H则可以将70%的电场限制在接地边沿内;内缩100H则可以将98%的电场限制在内。

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