信号完整性培训3

高速数字系统设计中的信号完整性安琪中国科学技术大学快电子学实验室2005年4月9日中国科大快电子学安琪2第二讲：串扰与多层PCB板分层考虑2-1“地”概念2-2信号电流的返回2-3地平面上信号返回电流的串扰（Crosstalk）2-4非理想的信号返回电流通道2-5保护线2-6近端和远端的串扰2-7多层PCB板分层设计中国科大快电子学安琪32-1“地”概念电子学中“地”的解释，不同的人可以有不同的说法。对于数字逻辑设计人员来说，它涉及到对于数字逻辑信号的一个参考电平；对于系统和机械设计工程师，它可以是连接电路的金属外壳或机箱；对于一个电工来说，它指的是国家标准规定的第三根“安全”地线。然而，从一般的意义上讲，我们可以将“地”的概念从两个方面来认识：安全地（SafetyGround）。信号的零电位参考（0VReferenceGround）。中国科大快电子学安琪4两个定义安全地若一个“地”通过一个低阻抗通道连接到大地（Earth）上，我们称这个地为安全地。信号的零电平参考在电路系统中，信号“地”通常被定义为一个等电位的参考点，一般是采用零电位参考点，所以信号“地”被称为零电位参考，或者说零电平参考。一个基本的概念往往被忽视，这就是电路中信号电流需要一个返回通道，以返回到它的源头，即出发点。因此，当我们讨论这个问题时，我们必须牢记两个基本概念：只要电流从一个有限值的阻抗上流过，在这个阻抗上就会产生电压，这是由欧姆定律所描述的。现实世界里很难找到一个绝对的“零电位”。哪怕电压非常小，可能是在的量级，但它也是存在的。信号电流必须返回到它的源头。V1210中国科大快电子学安琪5信号电流的低阻抗回流通道从高速电路的角度出发，对于信号“地”的一个更好的定义是：信号电流返回到它的源头的低阻抗通道。有人甚至说，忘掉“地”这个术语，考虑改为信号的返回通道（Forgettheword“Ground”,think“ReturnPath”）。在这个范畴里，我们更关心的是电流信号，而不是电压信号。如果两个电路点存在着一定的阻抗，并有电压差存在，则根据欧姆定律，一定会有电流流过。而且，地线上的电流决定了两个电路之间耦合的磁场大小。这是因为两个电路之间闭环回路的存在，电流在这个环中的流动导致了磁场的产生。电子工程师必须认真对待信号电流返回的通道，考虑电流从哪里流过？在这些思考和研究中，我们应当牢记一个基本的事实：电流流过的任何导体上都会有电压降的存在。从这个意义上讲，“信号的零电平参考”和“信号电流的低阻抗回流通道”这两个概念是紧密相关的，应该说，是从不同的角度来看待同一个问题。前者从电压的角度，后者从电流的角度，对于高速数字系统设计人员来说，我们更喜欢使用后者，在系统设计中考虑信号电流的低阻抗回流通道。中国科大快电子学安琪6低速电路的“最小电阻”原则在低速电路中，信号电流的返回通道遵循着最小电阻原则，如图2-3-1所示。驱动门A的输出信号沿着板上的PCB连线传输的电阻B点，然后由地面板返回到驱动门A。返回的线路由图中虚线标出。每一根弧线上的电流密度取决于它的电导，或者说是电阻。2-2信号电流的返回图2-2-1低频信号沿最小电阻通道返回中国科大快电子学安琪7高速数字电路的“最小电感”原则在高速电路中，电感的阻抗影响要远远大于通道的电阻，信号电流的返回通道遵循着最小电感原则，而不是低速电路中的最小电阻原则。我们知道，电路中的电感与信号流动的环面积成正比。当其它因素相同时，环面积越大，电感也越大。因此，当高速的信号电流沿着信号连线的垂直下方的地平面板上返回时，其形成的电流环面积最小，也就是说电感最小。这样的返回通道就是所谓的最小电感通道，如下图所示。图2-2-2高频信号沿最小电感通道返回中国科大快电子学安琪8返回电流的密度分布图3-2-3给出了一个典型的PCB板高频信号连线和它的返回电流密度分布的横截面。在信号连线的垂直下方的电流密度最大，并且在其两边随距离迅速下降。图3-2-3信号连线下方的返回电流密度分布中国科大快电子学安琪9返回电流的密度分布公式距离信号连线中心点为D处的电流密度，可以用下式进行计算。该式一个近似公式。20)(11)(HDHIDi（3-2-1）这里：I0：总的信号电流，单位为安培（A）。H：信号连线与地面板之间的距离，单位为英寸（in）。i(D)：返回电流的电流密度，单位为安培/英寸（A/in）。上式表明返回电流的电流密度分布平衡了两个相反的趋势:电流越强（电流密度越大）的地方，感应信号越大。即：感应信号正比于流过的电流。如一根细导线的电感应比一个平板导体的电感应肯定要大；离信号连线越远的地方，因为信号电流流出和返回形成的环也越大，电感增加。即：电感正比于电流环的面积，感应信号也正比于电流环的面积。在这两种相反的趋势中，电流密度的衰减更快，因为它是以距离D的平方成反比的。上式表述的返回电流密度分布使信号电流流出和返回形成的环电感减少到最小，说明高频信号沿最小电感通道返回。同时也说明这时在信号线周围的磁场最小。中国科大快电子学安琪10要点高速电流沿最小电感（最小阻抗）通道返回。返回电流在信号连线的垂直下方的地平面通道返回，其强度随着偏离信号连线的中心距离的平方而迅速下降。。中国科大快电子学安琪112-3地平面上信号返回电流的串扰（Crosstalk）图3-3-1两个信号之间由于返回电流的分布带来的串扰两个导体之间的串扰取决于它们之间的互感和互容。在数字系统中，通常感性串扰要远远大于容性串扰。因此，我们集中讨论感性耦合机制。我们知道，有电流就会产生磁场，磁场的存在就会在其范围内的其它信号连线上产生感应电压。感应电压的大小正比于与驱动信号的变化率。当信号的上升时间很小时，感应产生的噪声电压就会显著增加。中国科大快电子学安琪12互感串扰电压如上节所述，返回电流的密度随着偏离信号连线的中心距离的平方而迅速下降，其伴随的磁场强度也应按照同样的规律迅速下降。因而，我们可以期待由此产生的互感串扰电压也遵循同样的规律。如上图所示，当两个信号连线之间的距离增加时，一个信号连线上的信号通过互感对另一个连线产生的串扰电压将迅速下降，可以用下式表示它们之间的规律。（3-3-1）这里我们将串扰表示为所测量到的噪声电压与驱动信号阶跃幅度的一个比值。系数K总是要小于1，它的大小取决于信号的上升时间和相互干扰的连线的长度。2)(1HDKCrosstalk中国科大快电子学安琪13例子：互感串扰实验我们可以用一个简单的试验来检验以上的假设，图3-3-2给出了试验装置的示意图。这是一个双层PCB板，两根平行PCB连线的长度是26in，相互的中心间距是0.080in。另一层PCB覆铜用作为地面层。按照式（3-3-1）的表述，当系数K一定时，串扰电压的大小取决于两PCB连线之间的距离D与信号线与地平面板之间的距离H的比值：D/H。比值越大，串扰越小，反之依然。在这个试验中，我们用改变信号线与地平面板之间的距离H来改变这个比值。驱动门的输入为一个3.5V的负阶跃电压信号，则其输出为一个正的阶跃电压信号，然后输入到PCB连线A-B上。我们从PCB连线C-D的D端处检测连线C-D耦合的噪声电压。图3-3-2互感串扰试验中国科大快电子学安琪14测试波形图3-3-3给出了测试结果。图3-4-3的上半部为驱动门的输出端的阶跃电压信号，下半部是从D端处检测到的噪声电压波形。改变信号线与地平面板之间的距离H时，电压幅度也不同，H值越大，比值D/H越小，电压幅度也越大。这时符合式（3-3-1）的。H为无穷大是没有地平面板的情形。同样，当我们固定信号线与地平面板之间的距离H，通过改变两PCB连线之间的距离D，也可以改变比值D/H。D越大，比值D/H越大，在D端处检测到的噪声电压波也就越小，即：串扰越小。反之依然。2)(1HDKCrosstalk图3-3-3互感串扰试验的串扰信号中国科大快电子学安琪15要点信号的返回电流产生的磁场会在其它电路的连线上产生感应电压。在相邻的电路连线上感应的噪声电压随着两线的间距的平方迅速减少。2)(1HDKCrosstalk中国科大快电子学安琪162-4非理想的信号返回电流通道我们知道，高速电路中，信号电流沿最小电感通道返回，即：返回电流在信号连线的垂直下方的地平面通道返回。在实际的电路系统设计中，这一理想的最小电感通道可能由于某种原因被破坏，或者本来返回通道就不是在一个单一的地平面上。下面我们讨论几个典型的情况。一.地平面狭缝（GroundSlot）图3-4-1中显示的地平面狭缝例子是高速电路设计中最常见的一个PCB板设计错误。如图所示：逻辑门电路的输出信号从A传输到B，然后从地平面返回。由于地平面的A-B之间有一个长度为D的狭缝，返回电流就不能沿最小电感通道（信号连线A-B的垂直下方的低平面通道）返回。很少一部分返回电流会经狭缝间的离散电容通过，而大部分电流只能绕过狭缝，沿图中狭缝两侧的虚线返回。这使得电流环面积大大增加，从而增加了回路电感。图3-4-1地平面上的狭缝引起串扰中国科大快电子学安琪171.地平面狭缝对电路的影响地平面狭缝使电流环面积大大增加，从而增加了回路电感，对高速电路的影响是两方面的：对原驱动信号的影响当信号的返回通道的电子学长度（取决于狭缝的长度）与信号的前沿相比较较短时，狭缝的作用相当于一个信号通道中的一个串联电感。这个额外的电感将滤去信号前沿的一些高频成分，使信号变慢。如下图a中的第一个波形。当狭缝的长度较长，即信号的返回通道的电子学长度比信号的上升或下降时间更长时，信号沿上会出现台阶。台阶的长度与狭缝的长度呈正比。狭缝越长，台阶也越长，如下图a中的右边的两个波形所示。另外，台阶的高低则取决于狭缝的宽度（W）。狭缝越宽，狭缝的离散电容越小，通过离散电容耦合的返回电流部分也就越小（I=Cgap(dV/dt)），台阶也就越低，如下图b所示。图3-4-2地平面狭缝对信号前沿的影响ab中国科大快电子学安琪18增加电路中的串绕狭缝引起的非理想返回通道大大增加了穿过同一条狭缝的信号间的串绕。图3-5-3给出的TDR测试结果展示了一个狭缝串绕的例子。图中信号线和被干扰的无源线之间的间距是1.4英寸，按照前面讨论的地平面上信号返回电流的串扰分析和式（3-3-1），两线间的间距相对于信号连线与地平面的间距（H）很大，比值D/H足够大，应该没有大的串绕。但是由于狭缝的存在，信号的电流环面积大大增加，将无源线也包括在其磁场范围内，从而引起了较大的串绕。如图3-4-3的左上图所示：尽管两线间的距离大于一个英寸，还是有大约15%的驱动信号能量耦合到无源线上。图3-4-3的左下图则给出了驱动信号前沿随狭缝长度变长的变化情况，狭缝越长，信号的前沿越慢，并且会出现台阶。这与前面的讨论是一致的。图3-4-3穿过同一个狭缝上信号线之间的耦合噪声中国科大快电子学安琪192.产生地平面狭缝的原因产生地平面狭缝的原因主要有以下几种：地平面层上布信号线当信号层的布线遇到困难，PCB板设计者会在地平面层上布上少量信号线。设计者往往认为很少的几根连线，无伤大雅，不会破坏地平面的完整性。对低速电路，我们或许可以这样认为；但对于高速电路，这就犯了大忌。信号线图3-4-4地平面上信号线引起的狭缝地平面中国科大快电子学安琪20较长的接插件（Connector）随着系统的复杂性提高，大量的I/O促使在电路板上使用管脚众多而密集的接插件。当穿孔（Through-Hole）接插件各管脚的焊盘（Pad）和反焊盘（Anti-Pad，即：地屏蔽孔）过大时，反焊盘相互覆盖使地平面上形成狭缝，如图3-4-5左边较大的反焊盘的情形。这一问题在背板设计上尤其严重。图3-4-5右边较小的反焊盘则避免了这个问题，反焊盘之间仍保留了地平面上的敷铜，使信号的返回电流可以穿过。图3-4-6是一个PCB上连接器的实例。图3-4-6反焊盘过大的连接器（PIN间距为100mil，焊盘为PAD70CIR110）图3-4-5接插件引起的狭缝中国科大快电子学安琪21电源