電磁仿真之串?dāng)_的基礎(chǔ)知識(shí)

2021-10-13  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

反射,損耗,阻抗,是導(dǎo)體/傳輸線自身的問(wèn)題;串?dāng)_(Crosstalk)則是導(dǎo)體/傳輸線之間問(wèn)題。

串?dāng)_的根源:在于電容和電磁感應(yīng),導(dǎo)致別人的噪音傳播到我這里來(lái)了。只要與別人挨得近,導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與地之間就會(huì)有電容,有電容別人的信號(hào)就會(huì)傳播過(guò)來(lái)。電感則是電磁感應(yīng),別人的電磁波通過(guò)空間傳播到我這個(gè)導(dǎo)線,影響到了我。我們要明白如下問(wèn)題:

1、串?dāng)_的根源

2、串?dāng)_的度量(測(cè)量和仿真)

3、區(qū)別近端、遠(yuǎn)端串?dāng)_

4、減少串?dāng)_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?dāng)_:

前面講過(guò)反射,講過(guò)損耗。接下來(lái)講串?dāng)_(Crosstalk)。

話不多說(shuō),直接上圖,串?dāng)_的分類:

1.定義

一個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳遞信號(hào),有些電壓和電流通過(guò)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(duì)于相鄰網(wǎng)絡(luò)而言,不管給什么,不是想要的,都會(huì)以噪聲的形式耦合過(guò)來(lái)。

串?dāng)_與網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)路徑及返回路徑與另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)路徑及返回路徑都有關(guān)系。

這里面有概念的東西:動(dòng)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(shuō)是網(wǎng)絡(luò)之間的耦合(Coupling),那什么是耦合?

耦合簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是能量從一個(gè)介質(zhì)(PCB板,金屬導(dǎo)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(shí)際的工作中,該怎么考慮?或者說(shuō)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(dāng);

② 非均勻傳輸線,比如接插件或封裝的場(chǎng)合,感性耦合占主導(dǎo)地位。這里面要注意開(kāi)關(guān)噪聲(SSN):開(kāi)關(guān)噪聲大多發(fā)生在插件、封裝和過(guò)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(dǎo)線中有電流產(chǎn)生,就會(huì)有圍繞在信號(hào)路徑和返回路徑導(dǎo)體周圍的磁力線圈。由于信號(hào)路徑和返回路徑之間的空間是不封閉的,所以會(huì)延伸到周圍的空間,這個(gè)延伸出去的空間稱之為邊緣場(chǎng)。

既然是所謂的邊緣場(chǎng)引起的串?dāng)_,那么越遠(yuǎn),受的影響就越小。惹不起還躲不起嘛,離它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)的,簡(jiǎn)單粗暴。話是這樣說(shuō),實(shí)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(gè)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?dāng)_

NEXT:近端串?dāng)_ FEXT:遠(yuǎn)端串?dāng)_

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

噪聲電壓在靜態(tài)線的兩端進(jìn)行測(cè)量。為了區(qū)分兩個(gè)末端,把距離源端最近的一端稱為“近端”,也成為信號(hào)傳輸方向的“后方”,而把距離源端最遠(yuǎn)的一端稱為“遠(yuǎn)端”,遠(yuǎn)端信號(hào)傳輸方向的“前方”。

關(guān)于串?dāng)_,很久前做了個(gè)視頻:

串?dāng)_之近端串?dāng)_&遠(yuǎn)端串?dāng)_

看完視頻,里面有些概念需要說(shuō)一下。

一對(duì)傳輸線,耦合區(qū)域的總時(shí)長(zhǎng)為TD,當(dāng)信號(hào)的上升邊RT 是2xTD時(shí),或者說(shuō)耦合長(zhǎng)度是上升邊空間延伸的一半,那這個(gè)長(zhǎng)度為飽和長(zhǎng)度。

Lensat 表示近端串?dāng)_的飽和長(zhǎng)度(單位為in),RT表示信號(hào)上升邊(單位為ns),V表示信號(hào)在動(dòng)態(tài)線上的傳播速度(單位為in/ns)。

噪聲電壓即近端串?dāng)_幅值(NEXT)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值,當(dāng)耦合長(zhǎng)度大于飽和長(zhǎng)度。

當(dāng)耦合長(zhǎng)度小于飽和長(zhǎng)度,則電壓峰值將小于NEXT。

遠(yuǎn)端噪聲以脈沖形式出現(xiàn),信號(hào)進(jìn)入算起,一直要經(jīng)過(guò)TD時(shí)延之后才會(huì)出現(xiàn)噪聲。噪聲在靜態(tài)線上的傳播速度與信號(hào)的速度相等。

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

這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn):

因?yàn)楦行择詈想娏鞯姆较蚴菑姆祷芈窂降叫盘?hào)路徑,呈逆時(shí)針?lè)较?這與容性耦合電流的方向相反。所以,在遠(yuǎn)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(guò)調(diào)整飽和長(zhǎng)度和上升時(shí)間(RT)來(lái)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(lái)控制串?dāng)_,而調(diào)整線距確實(shí)可以減小串?dāng)_。

需要說(shuō)明的是,想用的是3H原則。只不過(guò)很不巧,竟然也符合3W原則。

實(shí)際工作中,串?dāng)_的管控除了重點(diǎn)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(xì)節(jié)的知識(shí),后面有機(jī)會(huì)再講。

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補(bǔ)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?dāng)_, 應(yīng)保證線間距足夠大, 如果線中心距不少于 3 倍線寬 時(shí),則可保持 70% 的線間電場(chǎng)不互相干擾,稱為 3W 規(guī)則。如要達(dá)到 98% 的電場(chǎng)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(dāng)然也是為抑制邊緣輻射效應(yīng)。電源層與地層之間的電場(chǎng)是變化的,在板的邊緣會(huì)向外輻射電磁干擾。將電源層內(nèi)縮,使得電場(chǎng)只在接地層的范圍內(nèi)傳導(dǎo)。以一個(gè)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(chǎng)限制在接地邊沿內(nèi);內(nèi)縮100H則可以將98%的電場(chǎng)限制在內(nèi)。

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