PCB中的串扰是什么？如何测量串扰？

信号完整性测量已成为开发数字系统过程中的关键步骤。信号完整性问题，如串扰、信号衰减、接地反弹等，在传输线效应也很关键的较高频率下会增加。

 

当今的高级功能电子产品规定使用在1 至 10 GHz 的高频范围（RF/微波）下工作的HDI PCB 。这种增加的频率会导致信号响应的边缘更陡峭。电路板变得越来越紧凑，布线密度逐渐变紧，导致串扰基本分析的重要性。

随着更快的边缘速度产生相对于总线长度更短的波长，EMI 会上升，从而产生意外的辐射发射。这些辐射会增加串扰，并可能导致高速 PCB 设计在 EMI/EMC 测试期间失败。

PCB中的串扰是什么？

串扰是由一个 PCB 迹线到另一个 PCB 迹线的能量耦合引起的干扰，即使它们没有接触。换言之，高速 PCB中紧密间隔走线之间不需要的电磁耦合称为串扰。它是由于电场（电容耦合）和磁场（电感耦合）的干扰而发生的。磁场产生互感，电场在附近的走线之间产生互电容。互感负责在相邻（受害者）线路上感应电流，这与入侵线路中的电流相反。并且由于互电容形成的电容器将在受害线路上双向通过电流。它阻碍了电路板的信号完整性。

使用 SI 工具的仿真可以确定初始布局布线后的串扰。虽然，它有时仍然未被发现。如果在初始阶段不加以控制，串扰可能会降低电路板的功能。基本上，这都是关于边缘电场和磁场，它们不受限制，而是散布在附近区域。

 

受害迹线 (ab) 中引起的串扰

当两条迹线在同一层中彼此相邻运行或在相邻层中一条在另一条的顶部上方运行时，就会出现串扰。考虑在同一方向运行的两条迹线。如果流经一条迹线的信号幅度高于另一条迹线，则可能会影响流经另一条迹线的信号。在这里，具有较高幅度的迹线将被称为“攻击者”，而另一条迹线被称为“受害者”。
在这种情况下，受害迹线中的信号将开始模仿入侵迹线的特征阻抗，而不是传导自己的信号。当这种情况发生时，这意味着串扰已经侵入了系统。

串扰对 PCB 的影响

• 降低电路板的信号完整性

• 时间延迟

• 电压过冲

• 误触发导致逻辑功能混乱

串扰如何在系统中引起噪声？

每个电信号都有不同的电磁场。每当这些场重叠时，它们就会产生电感、电容或传导耦合，从而导致 EMI。串扰使干扰信号超过了受干扰信号，即使它们没有物理连接但非常接近。串扰分为普通阻抗耦合和电磁场耦合。当多个信号共享一个公共返回路径时，会发生易于分析的公共阻抗耦合。电磁场耦合进一步分为电容耦合和电感耦合，这是最受关注的因素。

由互电容和电感引起的串扰

传统的用笔和纸分析串扰不仅麻烦而且耗时。我们可以做的是考虑电路元件来估计耦合。由边缘电场引起的耦合由电容器（互电容）近似，由电感器（互感）评估由边缘磁场引起的耦合。

电场变化引起的电容耦合

在平面上平行工作的两条迹线充当由电介质隔开的电容器的平行板。侵略者和受害者之间的电场变化被建模为一个电容器。我们知道如果电容器中电压发生变化，电场发生变化，就会感应出位移电流。这里，电容耦合电流就是我们所说的串扰。这种效应称为寄生电容。要了解更多信息，请阅读如何减少 PCB 布局中的寄生电容。

互容性和感性耦合

通过磁场环进行电感耦合

磁耦合或电感耦合近似于围绕受害者旋转多少磁场环。受害者周围的侵略者产生的磁场变化导致传导电流发生变化。因此，根据法拉第感应定律，在受害线上感应出电压。该感应电压以串扰的形式驱动电流。

宽边耦合

通常，串扰发生在同一层上的两条相邻走线之间。除此之外，周围由小电介质隔开的平行迹线会导致串扰。该电介质厚度可以是4 密耳 (0.1mm) 或小于两条迹线之间的间距。这被称为宽边耦合。

有哪些不同类型的串扰？

以下是不同类型的串扰：

基于传播方向

• 前向串扰：它沿着干扰信号的方向传播。

前向串扰 = 电容耦合 - 电感耦合

• 反向串扰：它以与干扰信号相反的方向传播。

反向串扰 = 电容耦合 + 电感耦合

前向和后向串扰

基于测量区域近端串扰（NEXT）：它是指受害线路驱动器侧的噪声。远端串扰（FEXT）： 它是受害线路接收端的干扰。

近端和远端串扰

NEXT 和 FEXT 是相对于施加刺激的端口进行测量的。它可以发生在线路的任何地方，无论是双导体还是单端。

差分 NEXT 和 FEXT 测量

注意：NEXT 值以分贝 (dB) 表示，并随传输频率而变化。NEXT 的更高 dB 意味着更少的干扰。

基于量化

• Power-sum-NEXT(PS-NEXT)：近端串扰的绝对或相对功率。PSNEXT 给出了所有相邻线对的总串扰，并涉及测量与功率相关的所有线对到线对分组。

• Power-sum-FEXT (PS-FEXT)：远端串扰的绝对或相对功率。

• Power-sum-equal-level-crosstalk (PS-ELFEXT)： PS-NEXT 和 PS-FEXT 之和。

外星串扰

外来串扰非常复杂，不能通过相位抵消轻易消除。在这里，不同频率的多个信号与受害信号混合在一起，当必须增加带宽以获得更快的响应时，情况会变得更糟。屏蔽不足以防止这种情况发生。 串扰也可以使用 TDR 来测量。有关更多详细信息，请阅读我们关于TDR 阻抗测量如何工作的文章。

S 参数

S 参数描述了 PCB 中互连的微波特性。每个 S 参数元素基本上是从互连的终端出来的正弦波与进入另一个互连的起始端的正弦波的比率。由于它们是正弦波的比率，因此每个元素（S31 和 S41）都是复杂的。标准阻抗始终为 50Ω。

S 参数用于串扰的基本分析。它们会自动检测信号进入的端口和信号输出的端口。确定线路中发生多少串扰以及受扰线路上的噪声方向至关重要。由于这个事实，受害者线的两端被单独标记。S31 是离干扰源最近的受害线路端的噪声，称为近端串扰。S31反向传播。远端串扰是从受害者相对于干扰信号的最远端口测量的。它向前传播。

力克罗 VNA 结果。图片来源：EDN

即使 S31 和 S41 测量由同一攻击者引起的同一受害者的噪声，它们的值也不同。此处可以通过 Le croy 信号完整性网络分析仪显示。

在这两种情况下，垂直刻度均为 40db 满量程，而左侧的水平刻度为 1 GHz 满量程，右侧为 20 GHz。S31和S41的区别在这里可以很明显的看出。我们还可以使用矢量网络分析仪 (VNA) 探测 s 参数。要了解有关此的更多信息，请参阅使用矢量网络分析仪进行 s 参数测量。

如何测量串扰？

串扰通常指定为出现在受扰线上的信号相对于干扰线的百分比。它也可以用低于驱动线路电平的 dB 表示。NEXT 随传输频率而变化，因为更高的频率会产生更多的干扰。dB 值越高，受干扰的链路/通道接收到的串扰就越少。FEXT 是根据系统S 参数的串扰元素计算得出的。

串扰的公式由下式给出：

在哪里：

K 是一个常数，其值始终小于 1，取决于电路的上升时间和经历串扰的走线长度。

H2 是平行走线高度的乘积。

D2 是迹线中心线之间的直接距离的乘积。

上式清楚地表明，可以通过减小 H 和最大化 D 来最小化串扰。

以 dB 为单位的串扰由下式给出：

 

其中，Vvictim是受害线上的电压， Vaggressor是干扰线上的电压。

影响串扰大小的因素

• 攻击者线和受害者线之间的耦合程度

• 发生耦合的距离

• 使用的终止类型的有效性

差分对中如何引起串扰？

差分对中的串扰

每当微分系统中出现不平衡时，场就不再完全抵消，这导致它们与不平衡成比例地辐射。类似地，外部场可以在差分对中感应出幅度不相等且相位相反的电流，因此它们不再相互抵消。产生的电流称为共模电流。与差模相比，共模串扰对系统性能的不利影响更大。

在频率方面比较共模和差模串扰效应。图片来源：英特尔

串扰的原因是什么？

电容和电感耦合：电容耦合是由于寄生电容，而电感耦合是由于互感。

• 传播速度差异：可以通过走线长度匹配和传播延迟匹配来避免。

• PCB 通孔：带有短截线的 PCB 通孔会产生反射，从而产生振铃，从而产生串扰。避免这种情况的一种方法是回钻过孔。

• 增加的数据速率：随着数据速率的增加，上升时间也会增加。根据法拉第定律，随着上升时间的增加，串扰也会增加。减少此类信号之间的串扰的一种方法是增加迹线之间的间距。

• 电路板尺寸：随着电路板尺寸的增加，走线长度也会增加，这些走线就像天线一样。因此，尽可能缩短走线长度非常重要。

减少串扰的设计指南

在高频板中串扰是不可避免的。我们能做的就是减轻它，让它变得微不足道。以下是一些避免串扰的快速流行技术：

在走线之间保持足够的间隔

在走线之间提供足够的间隔（采用 3W 规则）。如果没有保持足够的分离，则会增加互电容 (Cm)。3W 规则将串扰降低了 70%。要实现 98% 的串扰减少，请选择 10W。

使用实体参考平面

使用固体参考平面或返回路径是为了吸收边缘电场和磁场。因此，它们不能扩散开来并对其他信号产生噪声。

利用隔离的传输线

串扰是由干扰迹线到受干扰迹线上引起的，因此很明显，较高的干扰电压会引起更多的串扰。因此，最好根据信号幅度对网络组进行隔离。此策略可防止较大的电压网络 (3.3V) 影响较小的电压网络 (1.5V)。

实施背钻过孔

通孔短截线会降低信号完整性，因此会增加串扰。这可以通过实施背钻来减少。

减少并行跟踪运行

较长的走线（超过 500 密耳）会增加互感，从而增加串扰。

采用正交路由

正交布线相邻信号层，以尽量减少它们之间的电容耦合。

不要减少信号上升时间

减少的信号上升时间会增加串扰。

选择差分对路由

紧密耦合的差分路由消除了串扰，因为来自干扰源的噪声平等地耦合到差分对的两个分支中，从而产生共模噪声。差分对抑制有助于减少串扰的共模噪声。

使用长度较短的迹线

在实际设计中，并不总是可以使用相互垂直的信号。那么尽可能短的走线长度是减少耦合机会的可行技术。

隔离高频信号

像时钟信号这样的高频信号应该与其他信号隔离，以减少串扰的可能性。

隔离异步信号

异步信号必须远离高速信号。由于它们在正常电路操作中很少使用，我们可以将它们放置在电源线附近。

使用保护痕迹

保护走线用于控制传输线之间的电容串扰。应明智地使用此类走线，因为它们会使布线变得困难。

正确终止偶模和奇模传输

三电阻网络（T 端接）可用于端接奇偶模式。

 

用于偶模和奇模传输的 T 端接

串扰极限

确保整个系统串扰不超过 150mV。

串扰如何影响传输线参数？

传输线可以称为双导体系统，其中两条独立的走线影响信号通过它们的传播。可以考虑两种传播模式：偶模式（线同相）和奇模式（线 180 度异相）。

在奇模传输中，两条线路之间将存在相当大的电位差。这个电位差将增加等于互电容值的有效电容。

 

奇模传输期间的场线

由于两条线路中的电流以相反的方向流动，因此总电感会减少互感 (Lm) 值。

 

奇模传输期间的电流

奇模的传输线阻抗由下式给出：

 

注意 Z 微分 = 2Zodd

奇模的传输线传播延迟由下式给出：

 

在偶数模式传输中，两条线路（受害者和攻击者）将始终具有相等的潜力。这将通过互电容值降低有效电容。

 

偶模传输期间的场线

由于两条线路中的电流沿相同方向流动，因此总电感会增加互感 (Lm) 值。

 

偶模传输期间的电流

偶模的传输线阻抗由下式给出：

 

偶模的传输线传播延迟由下式给出：

 

不同传输线中的串扰

电容耦合电流沿顺时针和逆时针方向传播。正向电流突发偶然与入侵信号同时发生。因此，由于电容耦合导致的远端串扰增加。反向电流反复回传，使近端串扰的幅度相同，但持续时间较长。在这两个方向上，电压脉冲都是正的。

电感耦合电流顺时针循环。正向和反向的现象与电容耦合相同，只是这里的电压脉冲导致正向的远端串扰是负的。

电容和电感耦合电流

在带状线中，信号线上方和下方的环境是均匀的。因此，来自两个耦合的远端串扰将相互抵消。但是，如果我们将微带线作为传输线引入，情况就不匹配了。微带上方有空气，下方是电介质。介质的差异导致远端串扰升高。基本上电介质是电耦合的原因。因此，我们可以得出结论，在微带传输线的情况下，我们可以减少电容耦合，但会增加远端串扰。有关详细信息，请阅读微带线和带状线有什么区别？

串扰不能在系统级减少。集成的建模和表征周期可用于减轻器件或封装级别的串扰。如果控制不当，它可能会使您的电路板无法正常工作。即使 PCB 设计人员确保迹线之间的最小间隔，它可能还不足以解决相关问题。

 

审核编辑：刘清