高速PCB设计中的串音控制技巧

　   串音的起因

　　当信号沿着印刷电路板的布线传播时，其电磁波也沿着布线传播，从集成电路芯片一端传到线的另一端。在传播过程中，由于电磁感应，电磁波引起了瞬变的电压和电流。

　　电磁波包括随时间变化的电场和磁场。在印刷电路板中，实际上，电磁场并不限制在各种布线内，有相当一部分的电磁场能量存在于布线之外。所以，如果附近有其它线路，当信号沿一根导线传播时，其电场和磁场将会影响到其它线路。根据麦克斯韦尔方程，时变电及磁场会使邻近导产生电压和电流，因此，信号传播过程中伴随的电磁场将会使邻近线路产生信号，这样，就导致了串音。

　　在印刷电路板中，引起串音的线路通常称为“侵入者”。受串音干扰的线路通常称为“受害者”。在任何“受害者”中的串音信号都可被分为前向串音信号和后向串音信号，这两种信号部分地由于电容耦合和电感耦合引起。

　　串音信号的数学描述是非常复杂的，但是，如同湖面上的高速快艇，前向和后向串音信号的某些量化特征还是能被人们所理解。

　　高速快艇对水产生两种影响。首先，快艇在船头激起浪花，弧形的涟漪好像随着快艇一起前进；其次，当快艇行驶一段时间后，会在身后留下长长的水迹。

　　这很类似于信号通过“侵入者”时，“受害者”的反应。“受害者”中有两种串音信号：位于侵入信号之前的前向信号，像船头的水和涟漪；落后于侵入信号的后向信号，像船开远后仍在湖中的水迹。

　　前向串音的电容特性

　　前向串音表现为两种相互关联的特性：容性和感性。“侵入”信号前进时，在“受害者”中产生与之同相的电压信号，这个信号的速度与“侵入”信号相同，但又始终位于“侵入”信号之前。这意味着串音信号不会提前传播，而是和“侵入”信号同速并耦合入更多的能量。 由于“侵入”信号的变化引起串音信号，所以前向串音脉冲不是单极性的，而是具有正负两个极性。脉冲持续时间等于“侵入”信号的切换时间。

　　导线间的耦合电容决定了前向串音脉冲的幅值，而耦合电容是由许多因素决定的，例如印刷电路板的材料，几何尺寸，线路交叉位置等等。幅值和平行线路间的距离成比例：距离越长，串音脉冲就越大。然而，串音脉冲幅值有一个上限，因为“侵入”信号渐渐地失去了能量，而“受害者”又反过来耦合回“侵入者”。 前向串音的电感特性

　　当“侵入”信号传播时，它的时变磁场同样会产生串音：具有电感特性的前向串音。但是感性串音和容性串音明显不同：前向感性串音的极性和前向容性串音的极性相反。这因为在前进方向，串音的容性部分和感性部分在竞争，在相互抵消。实际上，当前向容性和感性串音相等时，就不存在前向串音。

　　在许多设备中，前向串音相当小，而后向串音成了主要问题，尤其对于长条形电路板，因为电容耦合增强了。但是，在没有仿真的前提下，实际无法知道感性和容性串音抵消到何种程度。

　　如果你测到了前向串音，你就可以根据其极性判别你的走线是容性耦合还是感性耦合。如果串音极性和“侵入”信号相同，容性耦合占主要地位，反之，感性耦合占主要地位。在印刷电路板中，通常是感性耦合更强些。

　　后向串音发生的物理和前向串音相同：“侵入”信号的时变电场和磁场引起“受害者”中的感性和容性信号。但是这两者之间也有所不同。

　　最大的不同是后向串音信号的持续时间。因为前向串音和“侵入”信号的传播方向及速度相同，所以前向串音的持续时间和“侵入”信号等长。但是，后向串音和“侵入”信号反方向传播，它滞后于“侵入”信号，并引起一长串脉冲。

　　与前向串音不同，后向串音脉冲的幅值与线路长度无关，其脉冲持续期是“侵入”信号延迟时间的两倍。为什么呢？假设你从信号出发点观察后向串音，当“侵入”信号远离出发点时，它仍在产生后向脉冲，直到另一个延迟信号出现。这样，后向串音脉冲的整个持续时间就是“侵入”信号延迟时间的两倍。

　　后向串音的反射

　　你可能不关心驱动芯片和接收芯片的串音干扰。然而，你为什么要关心后向脉冲呢？因为驱动芯片一般是低阻输出，它反射的串音信号多于吸收的串音信号。当后向串音信号到达“受害者”的驱动芯片时，它会反射到接收芯片。因为驱动芯片的输出电阻一般低于导线本身，常常引起串音信号的反射。

　　与前向串音信号具有感性和容性两种特性不同，后向串音信号只有一个极性，所以后向串音信号就不能自我抵消。后向串音信号及其反射之后的串音信号的极性和“侵入”信号相同，其幅值是两部分之和。

　　切记，当你在“受害者”的接收端测到后向串音脉冲时，这个串音信号已经经过了“受害者”驱动芯片的反射。你可以观察到后向串音信号的极性和“侵入”信号相反。 在数字设计时，你常常关心一些量化指标，例如：不管串音是如何产生，何时产生，前向还是后向的，它的最大噪声容限为150mV。那么，存在简单的能够精确衡量噪声的方法吗？简单的回答是“没有”，因为电磁场效应太复杂了，涉及到一系列方程，电路板的拓扑结构，芯片的模拟特性等等。

　　串音消除

　　从实践观点出发，最重要的问题是如何去除串音。当串音会影响电路特性时，你该怎么办？你可以采取以下两种策略。一种方法是改变一个或多个影响耦合的几何参量，例如：线路长度、线路之间的距离、电路板的分层位置。另一种方法是利用终端，将单线改成多路耦合线。合理的设计，多线终端能够取消大部分串音。

　　线路长度

　　很多设计者认为缩短线路长度是降低串音的关键。事实上，几乎所有电路设计软件都提供了最大并行线路的长度控制功能。不幸的是，仅改变几何数值，是很难降低串音的。因为前向串音受耦合长度影响，所以当你缩短没有耦合关系的线路长度时，串音几乎没有减少。再者，如果耦合长度超过驱动芯片下降或上升时延，耦合长度和前向串音的线性关系会到达一个饱和值，这时，缩短已经很长的耦合线路对减少串音影响甚小。

　　一个合理的方法是扩大耦合线路间的距离。几乎在所有情况下，分离耦合线路能够大大降低串音干扰。实践证明，后向串音幅值大致和耦合线路间的距离的平方成反比，即：如果你将这个距离增加一倍，串音降低四分之叁。当后向串音占主要地位时，这个效果更加明显。

　　隔离难度

　　要增大耦合线路间的距离并不是很容易的。如果你的布线非常密，你必须花很多精力才能降低布线密度。如果你担心串音干扰，你可以增加一或二个隔离层。如果你必须扩大线路或网络间的距离，那么你最好拥有一个便于操作的软件。

　　线路宽度和厚度同样影响串音干扰，但是其影响远小于线路的距离因素。所以，一般很少调整这两个参量。因为电路板的绝缘材料存在介电常数，也会产生线路间的耦合电容，所以降低介电常数也可减少串音干扰。这个效果并不很明显，特别是微带电路部分介电质已经是空气了。更重要的是，改变介电常数并不那么容易，特别是在昂贵的设备中。一个变通的办法是采用较贵的材料，而不是FR-4。 介电质厚度，很大长度上影响了串音干扰。一般的，使布线层靠近电源层（Vcc或地），能够降低串音干扰。改善效果的精确数值需要通过仿真来确定。

　　分层因素

　　一些印刷电路板设计者仍然不注意分层方法，这在高速电路设计中是个重大失误。分层不但影响传输线的性能，例如：阻抗、延迟和耦合，而且电路工作易于失常，甚至改变。例如，通过减少5mil的介电质厚度来降低串音干扰，这是不可以的，虽然在成本和工艺上都能做到。

　　另外一个容易忽略的因素是层的选择。很多时候，前向串音是微带电路中的主要串音干扰。但是，如果设计合理，布线层位于两个电源层之间，这样就很好地平衡了容性耦合和感性耦合，具有较低幅值的后向串音便成为主要因素。所以，仿真时你必须注意，是哪种串音干扰占主要地位。

　　布线和芯片的位置关系对串音也有影响。因为后向串音到达接收芯片后反射到驱动芯片，所以驱动芯片的位置和性能是非常重要的。因为拓扑结构的复杂性，反射及其它因素，所以很难解释串音主要受谁影响。如果有多种拓扑结构供选择，最好通过仿真来确定哪种结构对串音影响最小。

　　一个可能减少串音的非几何因素是驱动芯片本身的技术指标。一般原则是，选择切换时间长的驱动芯片，以减少串音干扰（解决很多其它由于高速引起的问题也如此）。即使串音不严格地和切换时间成正比，降低切换时间仍然会产生重大影响。许多时候，你对驱动芯片技术无法选择，你只能改变几何参量来达到目的。