高速數(shù)字系統(tǒng)的串音控制

內(nèi)容：在高頻電路中，串音可能是最難理解和預(yù)測的，但是，它可以被控制甚至被消除掉。
????? 隨著切換速度的加快，現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)遇到了一系列難題，例如：信號(hào)反射、延遲衰落、串音、和電磁兼容失效等等。當(dāng)集成電路的切換時(shí)間下降到5納秒或4納秒或更低時(shí)，印刷電路板本身的固有特性開始顯現(xiàn)出來。不幸的是，這些特性是有害的，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該盡量設(shè)法避開。
????? 在高頻電路中，串音可能是最難理解和預(yù)測的，但是，它可以被控制甚至被消除掉。

?? 1、 串音由何引起？
????? 當(dāng)信號(hào)沿著印刷電路板的布線傳播時(shí)，其電磁波也沿著布線傳播，從集成電路芯片一端傳到線的另一端。在傳播過程中，由於電磁感應(yīng)，電磁波引起了瞬變的電壓和電流。
????? 電磁波包括隨時(shí)間變化的電場和磁場。在印刷電路板中，實(shí)際上，電磁場并不限制在各種布線內(nèi)，有相當(dāng)一部分的電磁場能量存在於布線之外。所以，如果附近有其它線路，當(dāng)信號(hào)沿一根導(dǎo)線傳播時(shí)，其電場和磁場將會(huì)影響到其它線路。根據(jù)麥克斯韋爾方程，時(shí)變電及磁場會(huì)使鄰近導(dǎo)產(chǎn)生電壓和電流，因此，信號(hào)傳播過程中伴隨的電磁場將會(huì)使鄰近線路產(chǎn)生信號(hào)，這樣，就導(dǎo)致了串音。
????? 在印刷電路板中，引起串音的線路通常稱為“侵入者”。受串音干擾的線路通常稱為“受害者”。在任何“受害者”中的串音信號(hào)都可被分為前向串音信號(hào)和後向串音信號(hào)，這兩種信號(hào)部分地由於電容耦合和電感耦合引起。串音信號(hào)的數(shù)學(xué)描述是非常復(fù)雜的，但是，如同湖面上的高速快艇，前向和後向串音信號(hào)的某些量化特徵還是能被人們所理解。
????? 高速快艇對(duì)水產(chǎn)生兩種影響。首先，快艇在船頭激起浪花，弧形的漣漪好像隨著快艇一起前進(jìn)；其次，當(dāng)快艇行駛一段時(shí)間後，會(huì)在身後留下長長的水跡。
????? 這很類似於信號(hào)通過“侵入者”時(shí)，“受害者”的反應(yīng)?！笆芎φ摺敝杏袃煞N串音信號(hào)：位於侵入信號(hào)之前的前向信號(hào)，像船頭的水和漣漪；落後於侵入信號(hào)的後向信號(hào)，像船開遠(yuǎn)後仍在湖中的水跡。

??? 2、前向串音的電容特性
????? 前向串音表現(xiàn)為兩種相互關(guān)聯(lián)的特性：容性和感性?！扒秩搿毙盘?hào)前進(jìn)時(shí)，在“受害者”中產(chǎn)生與之同相的電壓信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的速度與“侵入”信號(hào)相同，但又始終位於“侵入”信號(hào)之前。這意味著串音信號(hào)不會(huì)提前傳播，而是和“侵入”信號(hào)同速并耦合入更多的能量。
????? 由於“侵入”信號(hào)的變化引起串音信號(hào)，所以前向串音脈沖不是單極性的，而是具有正負(fù)兩個(gè)極性。脈沖持續(xù)時(shí)間等於“侵入”信號(hào)的切換時(shí)間。
????? 導(dǎo)線間的耦合電容決定了前向串音脈沖的幅值，而耦合電容是由許多因素決定的，例如印刷電路板的材料，幾何尺寸，線路交叉位置等等。幅值和平行線路間的距離成比例：距離越長，串音脈沖就越大。然而，串音脈沖幅值有一個(gè)上限，因?yàn)椤扒秩搿毙盘?hào)漸漸地失去了能量，而“受害者”又反過來耦合回“侵入者”。 前向串音的電感特性
????? 當(dāng)“侵入”信號(hào)傳播時(shí)，它的時(shí)變磁場同樣會(huì)產(chǎn)生串音：具有電感特性的前向串音。但是感性串音和容性串音明顯不同：前向感性串音的極性和前向容性串音的極性相反。這因?yàn)樵谇斑M(jìn)方向，串音的容性部分和感性部分在競爭，在相互抵消。實(shí)際上，當(dāng)前向容性和感性串音相等時(shí)，就不存在前向串音。
????? 在許多設(shè)備中，前向串音相當(dāng)小，而後向串音成了主要問題，尤其對(duì)於長條形電路板，因?yàn)殡娙蓠詈显鰪?qiáng)了。但是，在沒有仿真的前提下，實(shí)際無法知道感性和容性串音抵消到何種程度。
????? 如果你測到了前向串音，你就可以根據(jù)其極性判別你的走線是容性耦合還是感性耦合。如果串音極性和“侵入”信號(hào)相同，容性耦合占主要地位，反之，感性耦合占主要地位。在印刷電路板中，通常是感性耦合更強(qiáng)些。
????? 後向串音發(fā)生的物理理和前向串音相同：“侵入”信號(hào)的時(shí)變電場和磁場引起“受害者”中的感性和容性信號(hào)。但是這兩者之間也有所不同。
????? 最大的不同是後向串音信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。因?yàn)榍跋虼艉汀扒秩搿毙盘?hào)的傳播方向及速度相同，所以前向串音的持續(xù)時(shí)間和“侵入”信號(hào)等長。但是，後向串音和“侵入”信號(hào)反方向傳播，它滯後於“侵入”信號(hào)，并引起一長串脈沖。
????? 與前向串音不同，後向串音脈沖的幅值與線路長度無關(guān)，其脈沖持續(xù)期是“侵入”信號(hào)延遲時(shí)間的兩倍。為什麼呢？假設(shè)你從信號(hào)出發(fā)點(diǎn)觀察後向串音，當(dāng)“侵入”信號(hào)遠(yuǎn)離出發(fā)點(diǎn)時(shí)，它仍在產(chǎn)生後向脈沖，直到另一個(gè)延遲信號(hào)出現(xiàn)。這樣，後向串音脈沖的整個(gè)持續(xù)時(shí)間就是“侵入”信號(hào)延遲時(shí)間的兩倍。

??? 3、後向串音的反射
????? 你可能不關(guān)心驅(qū)動(dòng)芯片和接收芯片的串音干擾。然而，你為什麼要關(guān)心後向脈沖呢？因?yàn)轵?qū)動(dòng)芯片一般是低阻輸出，它反射的串音信號(hào)多於吸收的串音信號(hào)。當(dāng)後向串音信號(hào)到達(dá)“受害者”的驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，它會(huì)反射到接收芯片。因?yàn)轵?qū)動(dòng)芯片的輸出電阻一般低於導(dǎo)線本身，常常引起串音信號(hào)的反射。
????? 與前向串音信號(hào)具有感性和容性兩種特性不同，後向串音信號(hào)只有一個(gè)極性，所以後向串音信號(hào)就不能自我抵消。後向串音信號(hào)及其反射之後的串音信號(hào)的極性和“侵入”信號(hào)相同，其幅值是兩部分之和。
????? 切記，當(dāng)你在“受害者”的接收端測到後向串音脈沖時(shí)，這個(gè)串音信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過了“受害者”驅(qū)動(dòng)芯片的反射。你可以觀察到後向串音信號(hào)的極性和“侵入”信號(hào)相反。
????? 在數(shù)字設(shè)計(jì)時(shí)，你常常關(guān)心一些量化指標(biāo)，例如：不管串音是如何產(chǎn)生，何時(shí)產(chǎn)生，前向還是後向的，它的最大噪聲容限為150mV。那麼，存在簡單的能夠精確衡量噪聲的方法嗎？簡單的回答是“沒有”，因?yàn)殡姶艌鲂?yīng)太復(fù)雜了，涉及到一系列方程，電路板的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，芯片的模擬特性等等。

?? 4、 串音消除
????? 從實(shí)踐觀點(diǎn)出發(fā)，最重要的問題是如何去除串音。當(dāng)串音會(huì)影響電路特性時(shí)，你該怎麼辦？
????? 你可以采取以下兩種策略。一種方法是改變一個(gè)或多個(gè)影響耦合的幾何參量，例如：線路長度、線路之間的距離、電路板的分層位置。另一種方法是利用終端，將單線改成多路耦合線。合理的設(shè)計(jì)，多線終端能夠取消大部分串音。

?? 5、 線路長度
????? 很多設(shè)計(jì)者認(rèn)為縮短線路長度是降低串音的關(guān)鍵。事實(shí)上，幾乎所有電路設(shè)計(jì)軟件都提供了最大并行線路的長度控制功能。不幸的是，僅改變幾何數(shù)值，是很難降低串音的。
????? 因?yàn)榍跋虼羰荞詈祥L度影響，所以當(dāng)你縮短沒有耦合關(guān)系的線路長度時(shí)，串音幾乎沒有減少。再者，如果耦合長度超過驅(qū)動(dòng)芯片下降或上升時(shí)延，耦合長度和前向串音的線性關(guān)系會(huì)到達(dá)一個(gè)飽和值，這時(shí)，縮短已經(jīng)很長的耦合線路對(duì)減少串音影響甚小。
????? 一個(gè)合理的方法是擴(kuò)大耦合線路間的距離。幾乎在所有情況下，分離耦合線路能夠大大降低串音干擾。實(shí)踐證明，後向串音幅值大致和耦合線路間的距離的平方成反比，即：如果你將這個(gè)距離增加一倍，串音降低四分之叁。當(dāng)後向串音占主要地位時(shí)，這個(gè)效果更加明顯。

??? 6、隔離難度
????? 要增大耦合線路間的距離并不是很容易的。如果你的布線非常密，你必須花很多精力才能降低布線密度。如果你擔(dān)心串音干擾，你可以增加一或二個(gè)隔離層。如果你必須擴(kuò)大線路或網(wǎng)絡(luò)間的距離，那麼你最好擁有一個(gè)便於操作的軟件。線路寬度和厚度同樣影響串音干擾，但是其影響遠(yuǎn)小於線路的距離因素。所以，一般很少調(diào)整這兩個(gè)參量。
????? 因?yàn)殡娐钒宓慕^緣材料存在介電常數(shù)，也會(huì)產(chǎn)生線路間的耦合電容，所以降低介電常數(shù)也可減少串音干擾。這個(gè)效果并不很明顯，特別是微帶電路　　部分介電質(zhì)已經(jīng)是空氣了。更重要的是，改變介電常數(shù)并不那麼容易，特別是在昂貴的設(shè)備中。一個(gè)變通的辦法是采用較貴的材料，而不是FR-4。
????? 介電質(zhì)厚度，很大長度上影響了串音干擾。一般的，使布線層靠近電源層（Vcc或地），能夠降低串音干擾。改善效果的精確數(shù)值需要通過仿真來確定。

??? 7、分層因素
????? 一些印刷電路板設(shè)計(jì)者仍然不注意分層方法，這在高速電路設(shè)計(jì)中是個(gè)重大失誤。分層不但影響傳輸線的性能，例如：阻抗、延遲和耦合，而且電路工作易於失常，甚至改變。例如，通過減少5mil的介電質(zhì)厚度來降低串音干擾，這是不可以的，雖然在成本和工藝上都能做到。
????? 另外一個(gè)容易忽略的因素是層的選擇。很多時(shí)候，前向串音是微帶電路中的主要串音干擾。但是，如果設(shè)計(jì)合理，布線層位於兩個(gè)電源層之間，這樣就很好地平衡了容性耦合和感性耦合，具有較低幅值的後向串音便成為主要因素。所以，仿真時(shí)你必須注意，是哪種串音干擾占主要地位。
????? 布線和芯片的位置關(guān)系對(duì)串音也有影響。因?yàn)獒嵯虼舻竭_(dá)接收芯片後反射到驅(qū)動(dòng)芯片，所以驅(qū)動(dòng)芯片的位置和性能是非常重要的。因?yàn)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，反射及其它因素，所以很難解釋串音主要受誰影響。如果有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)供選擇，最好通過仿真來確定哪種結(jié)構(gòu)對(duì)串音影響最小。
????? 一個(gè)可能減少串音的非幾何因素是驅(qū)動(dòng)芯片本身的技術(shù)指標(biāo)。一般原則是，選擇切換時(shí)間長的驅(qū)動(dòng)芯片，以減少串音干擾（解決很多其它由於高速引起的問題也如此）。即使串音不嚴(yán)格地和切換時(shí)間成正比，降低切換時(shí)間仍然會(huì)產(chǎn)生重大影響。許多時(shí)候，你對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片技術(shù)無法選擇，你只能改變幾何參量來達(dá)到目的。 通過終端降低串音
????? 眾所周知，一根獨(dú)立、無耦合傳輸線的終端連接匹配阻抗，它就不會(huì)產(chǎn)生反射?，F(xiàn)在考慮一系列耦合的傳輸線，例如，叁根互相有串音的傳輸線，或一對(duì)耦合傳輸線。如果利用電路分析軟件，可以導(dǎo)出一對(duì)矩陣，分別表示傳輸線本身和相互間的電容和電感。例如，叁根傳輸線可能有下列的C和L矩陣：
????? 在這些矩陣中，對(duì)角線元素是傳輸線自身值，非對(duì)角線元素是傳輸線相互間的值。（注意它們是用每單位長度的pF和nH來表示的）?？梢杂镁嫉碾姶艌鰷y試儀來確定這些值。
????? 可以看出，每一組傳輸線也有一個(gè)特徵阻抗矩陣。在這個(gè)Z0矩陣中，對(duì)角線元素表示傳輸線對(duì)地線的阻抗值，非對(duì)角線元素是傳輸線耦合值。
????? 對(duì)於一組傳輸線，與單根傳輸線類似，如果終端是與Z0匹配的阻抗陣，它的矩陣幾乎是相同的。所需的阻抗不必是Z0中的值，只要組成的阻抗網(wǎng)絡(luò)與Z0匹配就行。阻抗陣中不僅包括傳輸線對(duì)地的阻抗，而且包括傳輸線之間的阻抗。
??? 這樣的一個(gè)阻抗陣具有良好的性質(zhì)。首先它可以阻止非耦合線中串音的反射。更重要的是，它可以消除已經(jīng)形成的串音。

??? 8、致命武器
????? 可惜的是，這樣一個(gè)終端是昂貴的，而且是不可能理想實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橐恍﹤鬏斁€之間的耦合阻抗太小了，會(huì)導(dǎo)致大電流流入驅(qū)動(dòng)芯片。傳輸線和地之間的阻抗也不能太大以致於不能驅(qū)動(dòng)芯片。如果存在這些問題，而你還打算利用這類終端，加幾個(gè)交流耦合電容試試看。
????? 盡管實(shí)現(xiàn)中存在一些困難，阻抗陣列終端仍是對(duì)付信號(hào)反射和串音的致命武器，特別對(duì)於惡劣情況。在其它環(huán)境下，它可能起作用，也可能不起作用，但仍不失為一種值得推薦的方法。