電磁仿真之串擾的基礎知識

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

反射,損耗,阻抗,是導體/傳輸線(xiàn)自身的問(wèn)題;串擾(Crosstalk)則是導體/傳輸線(xiàn)之間問(wèn)題。

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

1、串擾的根源

2、串擾的度量(測量和仿真)

3、區別近端、遠端串擾

4、減少串擾的技術(shù)手段



本文借用知乎文章( https://zhuanlan.zhihu.com/p/358531395 ),介紹一下串擾:




前面講過(guò)反射,講過(guò)損耗。接下來(lái)講串擾(Crosstalk)。

話(huà)不多說(shuō),直接上圖,串擾的分類(lèi):

電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS培訓的效果圖片1

1.定義


一個(gè)網(wǎng)絡(luò )傳遞信號,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)。

串擾與網(wǎng)絡(luò )的信號路徑及返回路徑與另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的信號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(xiàn)網(wǎng)&靜態(tài)線(xiàn)網(wǎng);攻擊線(xiàn)網(wǎng)&受害網(wǎng)絡(luò )。

電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS培訓的效果圖片3

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,金屬導線(xiàn)等)傳播到另一種介質(zhì)。

耦合分為容性耦合和感性耦合。

電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS分析圖片5

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(xiàn)且有均勻很寬的返回路徑,容性耦合和感性耦合相當;

② 非均勻傳輸線(xiàn),比如接插件或封裝的場(chǎng)合,感性耦合占主導地位。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,電流重疊出現的一種特殊情況。

2.原因

導線(xiàn)中有電流產(chǎn)生,就會(huì )有圍繞在信號路徑和返回路徑導體周?chē)拇帕€(xiàn)圈。由于信號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?chē)目臻g,這個(gè)延伸出去的空間稱(chēng)之為邊緣場(chǎng)。

既然是所謂的邊緣場(chǎng)引起的串擾,那么越遠,受的影響就越小。惹不起還躲不起嘛,離它們遠遠的,簡(jiǎn)單粗暴。話(huà)是這樣說(shuō),實(shí)際工作中,PCB板走線(xiàn)的密度限制,不可能給你想要的空間。怎么辦?

Intel的規范給出了一個(gè)HSD組內的間距還有普通線(xiàn)之間的間距,都是3H。

電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS分析圖片7

3.傳輸線(xiàn)串擾

講到傳輸線(xiàn)串擾,下圖是一張必須知道的圖:

電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS分析圖片9

NEXT:近端串擾 FEXT:遠端串擾


兩根傳輸線(xiàn),信號從其中一根傳輸線(xiàn)的一端輸入,遠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(xiàn)的兩端進(jìn)行測量。為了區分兩個(gè)末端,把距離源端最近的一端稱(chēng)為“近端”,也成為信號傳輸方向的“后方”,而把距離源端最遠的一端稱(chēng)為“遠端”,遠端信號傳輸方向的“前方”。

關(guān)于串擾,很久前做了個(gè)視頻:

串擾之近端串擾&遠端串擾

看完視頻,里面有些概念需要說(shuō)一下。

一對傳輸線(xiàn),耦合區域的總時(shí)長(cháng)為T(mén)D,當信號的上升邊RT 是2xTD時(shí),或者說(shuō)耦合長(cháng)度是上升邊空間延伸的一半,那這個(gè)長(cháng)度為飽和長(cháng)度。

電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS分析圖片11
電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS分析圖片11

Lensat 表示近端串擾的飽和長(cháng)度(單位為in),RT表示信號上升邊(單位為ns),V表示信號在動(dòng)態(tài)線(xiàn)上的傳播速度(單位為in/ns)。

噪聲電壓即近端串擾幅值(NEXT)達到一個(gè)穩定值,當耦合長(cháng)度大于飽和長(cháng)度。

電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS分析圖片13

當耦合長(cháng)度小于飽和長(cháng)度,則電壓峰值將小于NEXT。

電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS分析圖片13

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

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

電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS分析案例圖片15

這里需要強調一點(diǎn):

電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS分析案例圖片15

因為感性耦合電流的方向是從返回路徑到信號路徑,呈逆時(shí)針?lè )较?這與容性耦合電流的方向相反。所以,在遠端的凈噪聲是容性耦合噪聲與感性耦合噪聲之差。


4.總結:

產(chǎn)品的更新?lián)Q代,通過(guò)調整飽和長(cháng)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就是調整線(xiàn)距來(lái)控制串擾,而調整線(xiàn)距確實(shí)可以減小串擾。

電磁仿真之串擾的基礎知識HFSS分析案例圖片17

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,串擾的管控除了重點(diǎn)關(guān)注線(xiàn)間距,返回路徑也需要注意。至于帶狀線(xiàn)層布線(xiàn),使用介電常數較低的材料等,這些深入且細節的知識,后面有機會(huì )再講。

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補充關(guān)于3W/3H原則:

3W 是線(xiàn)與線(xiàn)之間的距離保持 3 倍線(xiàn)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(xiàn)間串擾, 應保證線(xiàn)間距足夠大, 如果線(xiàn)中心距不少于 3 倍線(xiàn)寬 時(shí),則可保持 70% 的線(xiàn)間電場(chǎng)不互相干擾,稱(chēng)為 3W 規則。如要達到 98% 的電場(chǎng)不互相干 擾,可使用 10W 規則。還有20H原則:20H規則是指電源層內縮,當然也是為抑制邊緣輻射效應。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。將電源層內縮,使得電場(chǎng)只在接地層的范圍內傳導。以一個(gè)H(電源和地之間的介質(zhì)厚度)為單位,若內縮20H則可以將70%的電場(chǎng)限制在接地邊沿內;內縮100H則可以將98%的電場(chǎng)限制在內。




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