高速PCB串擾分析及其最小化

1.引言

隨著電子產品功能的日益復雜和性能的提高，印刷電路板的密度和其相關器件的頻率都不斷攀升，保持并提高系統的速度與性能成為設計者面前的一個重要課題。信號頻率變高，邊沿變陡，印刷電路板的尺寸變小，布線密度加大等都使得串擾在高速PCB設計中的影響顯著增加。串擾問題是客觀存在，但超過一定的界限可能引起電路的誤觸發，導致系統無法正常工作。設計者必須了解串擾產生的機理，并且在設計中應用恰當的方法，使串擾產生的負面影響最小化。

2.高頻數字信號串擾的產生及變化趨勢

串擾是指當信號在傳輸線上傳播時，相鄰信號之間由于電磁場的相互耦合而產生的不期望的噪聲電壓信號，即能量由一條線耦合到另一條線上。

如圖1所示，為便于分析，我們依照離散式等效模型來描述兩個相鄰傳輸線的串擾模型，傳輸線AB和CD的特性阻抗為Z0，且終端匹配電阻R=Z0。如果位于A點的驅動源為干擾源，則A―B間的線網稱為干擾源網絡(Aggressor line)，C―D之間的線網被稱為被干擾網絡(Victim line)，被干擾網絡靠近干擾源網絡的驅動端的串擾稱為近端串擾(也稱后向串擾)，而靠近干擾源網絡接收端方向的串擾稱為遠端串擾(也稱前向串擾)。串擾主要源自兩相鄰導體之間所形成的互感Lm和互容Cm。

2.1感性耦合

在圖1中，先只考慮互感Lm引起的感性耦合。線路A到B上傳輸的信號的磁場在線路C到D上感應出電壓，磁耦合的作用類似一個變壓器，由于這是個分布式的傳輸線，所以互感也變成一連串的變壓器分布在兩個相鄰的并行傳輸線上。當一個電壓階躍信號從A移動到B，每個分布在干擾線上的變壓器會依序感應一個干擾尖脈沖出現在被干擾網絡上。互感在被干擾網絡上疊加的這個電壓噪聲，其大小跟干擾網絡上驅動電流的變化成正比。由互感產生的噪聲計算公式為

值得注意的是，耦合變壓器每一段的互感耦合的極性是不同的，這些感應到被干擾網路的干擾能量依序前向和后向，但極性相反，沿著傳輸線CD分別往C和D點行進。