【導讀】本文介紹了優(yōu)化信號布線以顯著減少串擾的方法:采用微帶線收發(fā)交叉布線和帶狀線非交叉布線方案可以最大限度地減少串擾。要實現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)速率,PCB設計必須優(yōu)化信號布線,以確保卓越的信號質量。這些你知道嗎?
如今,各種便攜式計算設備都應用了密集的印刷電路板(PCB)設計,并使用了多個高速數(shù)字通信協(xié)議,例如 PCIe、USB 和 SATA,這些高速數(shù)字協(xié)議支持高達 Gb 的數(shù)據(jù)吞吐速率并具有數(shù)百毫伏的差分幅度。設計人員必須小心的規(guī)劃 PCB 的高速串行信號走線,以便盡可能減少線對間串擾,防止信道傳輸對數(shù)據(jù)造成破壞。
入侵(aggressor)信號與受害(victim)信號出現(xiàn)能量耦合時會產生串擾,表現(xiàn)為電場或磁場干擾。電場通過信號間的互電容耦合,磁場則通過互感耦合。
方程式(1)和(2)分別是入侵信號對受害信號的感應電壓和電流計算公式,方程式(3)和(4)分別是入侵信號和受害信號之間的互電容和互電感計算公式。
如方程式(1)、(2)、(3)和(4)所示,距離增加時,受害信號和入侵信號之間的電感和電容耦合降低。然而,由于必須滿足便攜計算設備設計緊湊的要求,PCB 的尺寸有限,增加線間空隙的難度很大。
微帶線收發(fā)交叉布線和帶狀線收發(fā)非交叉布線的方法可緩解串擾或耦合問題。
當遠端串擾(FEXT)遠大于近端串擾(NEXT)時適用交叉模式。相反,當近端串擾遠大于遠端串擾時適用非交叉布線。近端串擾表示受害網(wǎng)絡鄰近入侵信號發(fā)射機而造成的串擾,遠端串擾表示受害網(wǎng)絡鄰近入侵信號接收機而造成的串擾。通過分析入侵信號和受害信號這兩個緊密耦合信號的 S 參數(shù)與瞬態(tài)響應,我們可以對比微帶線和帶狀線的遠端串擾和近端串擾。
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II. 仿真
圖3 和圖4 分別是 ADS 中的 S 參數(shù)和瞬態(tài)分析仿真模型。圖3 中,100Ω差分阻抗和3 英寸長的受害信號和入侵網(wǎng)絡信號線對的單模 S 參數(shù)通過數(shù)學方式轉變?yōu)椴罘帜J?。端? 和端口2 分別表示入侵信號對的輸入和輸出端口,而端口3 和端口4 分別表示受害網(wǎng)絡信號對的輸入和輸出端口。入侵信號和受害信號的線對間空隙設置為8 mil(1 倍布線寬度)。
圖 4 中,中間的傳輸線表示受害網(wǎng)絡信號對,傳輸線兩端均端接電阻。在受害網(wǎng)絡信號對上方和下方的傳輸線中分別注入具有 30ps 邊沿速率的方波,以作為入侵信號。
圖3:S 參數(shù)仿真模型(coupled pairs:耦合對)
圖4:瞬態(tài)分析仿真模型(coupled pairs:耦合對)
差分 S 參數(shù) Sdd31 表示近端串擾,Sdd41 表示遠端串擾。Sdd31 定義為端口3(受害網(wǎng)絡信號輸入端)感應電壓相對于端口1(入侵網(wǎng)絡信號輸入端)入射電壓的增益比,而 Sdd41 定義為端口4(受害網(wǎng)絡信號輸出端)感應電壓相對于端口1(入侵網(wǎng)絡信號輸入端)入射電壓的增益比。
圖5 和圖6 是耦合微帶線和帶狀線對的仿真 S 參數(shù)。圖5 顯示,Sdd31 低于 Sdd41,表明使用微帶線進行布線的 Sdd41 或遠端串擾增益高于 Sdd31 或近端串擾;圖6 顯示,使用帶狀線進行布線的 Sdd31 增益高于 Sdd41。
圖5:仿真微帶線 Sdd31和 Sdd41(FEXT:遠端串擾;NEXT:近端串擾)
[page]圖6:仿真帶狀線 Sdd31和 Sdd41(FEXT:遠端串擾;NEXT:近端串擾)
圖7 和 圖8 分別是耦合微帶線和帶狀線對的遠端串擾和近端串擾時域瞬態(tài)響應仿真。如圖7 所示,當入侵線信號瞬態(tài)上升或下降時,微帶線布線的受害線的遠端感應電壓峰值(0.3V)遠大于近端峰值(0.05V);圖8帶狀線仿真顯示,受害信號線的遠端感應電壓峰值與近端相當(0.05V)。受害信號的誤觸發(fā)或感應峰值會增加接收機集成電路(IC)噪聲裕量超限幾率,進而增加比特誤差率(BER)。
圖7:微帶線遠端串擾和近端串擾時域響應仿真(Waveform:波形;Aggressor:入侵信號)
圖8:帶狀線遠端串擾和近端串擾時域響應仿真(Waveform:波形;Aggressor:入侵信號)
為了盡可能降低緊密耦合線對之間的串擾,微帶線采用收發(fā)交叉布線而帶狀線應用收發(fā)非交叉布線是一個更好的選擇。
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III. 原型 PCB 測量
為了驗證仿真結果與實際測量的關聯(lián)性,我們需要制作原型 PCB。圖9 和 圖10 是耦合微帶線和帶狀線的 S 參數(shù)測量結果。如圖9 所示,近端串擾低于遠端串擾;圖10 中,遠端串擾低于近端串擾。
圖9:微帶線的 S 參數(shù)測量結果
圖10:帶狀線的 S 參數(shù)測量結果
圖11 和 圖12 分別是耦合微帶線和帶狀線對的遠端串擾和近端串擾時域瞬態(tài)響應測量結果。圖11 中,入侵線的信號瞬態(tài)上升或下降時,受害線的遠端感應電壓峰值(0.3V)遠大于近端峰值(0.1V);圖12 中,受害線的遠端感應電壓峰值與近端峰值相當(0.1V)。
IV. 總結
本文介紹了優(yōu)化信號布線以顯著減少串擾的方法。S 參數(shù)和時域瞬態(tài)響應的分析結果顯示:采用微帶線收發(fā)交叉布線和帶狀線非交叉布線方案可以最大限度地減少串擾。要實現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)速率,PCB 設計必須優(yōu)化信號布線,以確保卓越的信號質量。