12為什么靜態(tài)線遠(yuǎn)端會(huì)出現(xiàn)近端串?dāng)_噪聲

上一篇文章講到，從動(dòng)態(tài)線耦合過(guò)來(lái)的噪聲會(huì)在靜態(tài)線的近端產(chǎn)生近端耦合噪聲，同時(shí)在靜態(tài)線的遠(yuǎn)端產(chǎn)生遠(yuǎn)端耦合噪聲。不過(guò)現(xiàn)實(shí)中，在靜態(tài)線的遠(yuǎn)端也存在近端串?dāng)_噪聲，這是為什么呢？

如下圖。藍(lán)色信號(hào)是從動(dòng)態(tài)線近端，通過(guò)傳輸線發(fā)送到負(fù)載1。在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中，在靜態(tài)線產(chǎn)生藍(lán)色的近端串?dāng)_信號(hào)和藍(lán)色的遠(yuǎn)端串?dāng)_信號(hào)。當(dāng)藍(lán)色信號(hào)到達(dá)負(fù)載1時(shí)，會(huì)有些許的反射信號(hào)（綠色信號(hào)）從負(fù)載1傳回到信號(hào)源。這些反射信號(hào)在靜態(tài)線同樣會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_信號(hào)，如圖中綠色的近端串?dāng)_信號(hào)和綠色的遠(yuǎn)端串?dāng)_信號(hào)。這個(gè)反射信號(hào)產(chǎn)生的近端串?dāng)_信號(hào)就位于靜態(tài)線的遠(yuǎn)端，即負(fù)載2。因此負(fù)載2處的串?dāng)_是藍(lán)色遠(yuǎn)端串?dāng)_和綠色近端串?dāng)_的組合，只是它們的源頭不同。

如下圖中，細(xì)線分別是標(biāo)準(zhǔn)的近端串?dāng)_波形和遠(yuǎn)端串?dāng)_波形。粗線是在負(fù)載2上得到的串?dāng)_噪聲，可以看到包含了近端串?dāng)_波形和遠(yuǎn)端串?dāng)_波形。

13多條動(dòng)態(tài)線對(duì)同一條靜態(tài)線的影響

在一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，同一條靜態(tài)線可能會(huì)有多條動(dòng)態(tài)線對(duì)其影響，每一條動(dòng)態(tài)線都會(huì)在靜態(tài)線上產(chǎn)生噪聲。下圖是一個(gè)案例，有11條線寬和間距都是5mil的50歐姆帶狀線。最中間那條黃色的是靜態(tài)線，其他是動(dòng)態(tài)線。動(dòng)態(tài)線上有幅度為3.3V，頻率是100MHz的信號(hào)通過(guò)。

下圖是：分別當(dāng)1根動(dòng)態(tài)線上有信號(hào)、2根動(dòng)態(tài)線上有信號(hào)、4根動(dòng)態(tài)線上有信號(hào)、10根動(dòng)態(tài)線上有信號(hào)時(shí)，靜態(tài)線上的噪聲波形。可以看出2根動(dòng)態(tài)線信號(hào)引起的噪聲接近1根動(dòng)態(tài)線信號(hào)引起噪聲的2倍。而后即使增加到10根動(dòng)態(tài)線都有信號(hào)，對(duì)噪聲幅度的影響也不是很大。所以靜態(tài)線左右臨近的動(dòng)態(tài)線對(duì)噪聲幅度影響最大。其他稍遠(yuǎn)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)線對(duì)噪聲的影響很小了。以本圖的數(shù)據(jù)看，當(dāng)10根動(dòng)態(tài)線都有信號(hào)時(shí)，靠近靜態(tài)線最近的左右兩根動(dòng)態(tài)線帶來(lái)的噪聲占據(jù)全部噪聲的95%。這也提示我們?cè)谶M(jìn)行串?dāng)_仿真時(shí)，選擇靜態(tài)線附近的2根動(dòng)態(tài)線，至多選擇4根動(dòng)態(tài)線就足夠用了。

注：因?yàn)槭菐罹€，因此基本沒(méi)有遠(yuǎn)端噪聲，上圖波形只是近端噪聲。

接下來(lái)，針對(duì)上例，保持線寬為5mil，線間距增加到10mil（即3W布線），看看結(jié)果是什么。

可以看到2個(gè)結(jié)論。

一個(gè)是整體的噪聲幅度在下降。之前線寬等于線距時(shí)，串?dāng)_系數(shù)是400mv/3.3v=12%。執(zhí)行3W布線后，串?dāng)_系數(shù)下降到100mv/3.3v=3%。換句話說(shuō)，PCB設(shè)計(jì)保持3W原則，只有3%的串?dāng)_噪聲會(huì)到達(dá)靜態(tài)線。

另一個(gè)是2根動(dòng)態(tài)線和10根動(dòng)態(tài)線的影響差不多，即在進(jìn)行3W布局后，所有的串?dāng)_噪聲都可以說(shuō)是由距離靜態(tài)線最近的2根動(dòng)態(tài)線帶來(lái)的，其他更遠(yuǎn)的動(dòng)態(tài)線可以不用考慮其影響了。

14在動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線之間增加防護(hù)線

（一）各種端接的防護(hù)布線對(duì)噪聲的影響

上述增加動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線間距（3W原則）是一種降低串?dāng)_噪聲的辦法。之前還提到過(guò)盡量使用帶狀線設(shè)計(jì)是另一種降低遠(yuǎn)端串?dāng)_噪聲的方法。除此之外，在動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線之間增加防護(hù)線也是一種方法。當(dāng)信號(hào)在動(dòng)態(tài)線上傳輸時(shí)，它會(huì)將噪聲耦合到防護(hù)線上，防護(hù)線上的這些噪聲再耦合到靜態(tài)線上。防護(hù)線影響了動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線之間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，最終使耦合電容和耦合電感減小。

通常執(zhí)行3W原則后，可以將串?dāng)_噪聲降低到3%左右。但是在有些設(shè)計(jì)中，對(duì)此要求更高。例如在射頻接收單元，要求它與數(shù)字信號(hào)的隔離度能達(dá)到-100dB，也就是串?dāng)_噪聲系數(shù)在0.001%。通過(guò)在動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線之間增加防護(hù)線，有機(jī)會(huì)將串?dāng)_噪聲降到更低。

一般防護(hù)線應(yīng)該盡量寬，這可以增大動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線之間的距離。在微帶線和帶狀線中都可以插入防護(hù)線。不過(guò)在微帶線中加入防護(hù)線的效果不是很明顯。除了防護(hù)線的寬度、距離，防護(hù)線兩端的端接方式也對(duì)串?dāng)_隔離有影響。常見(jiàn)的防護(hù)線端接方式有開(kāi)路、短路、端接匹配電阻。下圖是一個(gè)例子。針對(duì)以上幾種情況進(jìn)行討論。

看不同配置下的波形：當(dāng)動(dòng)態(tài)線信號(hào)幅度為3.3V時(shí)，不同配置下的靜態(tài)線噪聲是：

①線寬和線距都是5mil時(shí)，噪聲幅度130mV

②線間距拉大到15mil時(shí)，噪聲幅度39mV

③插入一條兩端開(kāi)路的5mil防護(hù)線時(shí)，噪聲幅度接近40mV

④插入防護(hù)線兩端端接50Ω電阻時(shí)，噪聲幅度接近25mV

⑤插入防護(hù)線兩端短路時(shí)，噪聲幅度接近22mV

因此就結(jié)果看，增加動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線之間的距離、插入兩端短路的防護(hù)線，效果最好。為什么呢？

隨著信號(hào)沿著動(dòng)態(tài)線傳輸，噪聲被耦合到防護(hù)線。①在防護(hù)線上的后向耦合噪聲到達(dá)防護(hù)線近端的短路處并且發(fā)生反射，因?yàn)槎搪罚瓷湎到y(tǒng)是-1。所以防護(hù)線上后向傳輸?shù)慕嗽肼暫陀伤约簬?lái)的前向傳輸?shù)呢?fù)反射近端噪聲（因?yàn)槎搪吩斐桑┫嗷サ窒罱K在防護(hù)線上的近端噪聲會(huì)非常小，甚至消失。這樣在防護(hù)線上就沒(méi)有多少近端噪聲再被耦合到靜態(tài)線上了。②同樣的在防護(hù)線上有前向耦合噪聲向著防護(hù)線的遠(yuǎn)端傳輸，當(dāng)?shù)竭_(dá)遠(yuǎn)端時(shí)，因?yàn)榉雷o(hù)線遠(yuǎn)端也是短路的，反射系數(shù)也是-1，遠(yuǎn)端凈噪聲也為零。

注：有些設(shè)計(jì)中，兩端開(kāi)路的防護(hù)線和沒(méi)有防護(hù)線相比，會(huì)帶來(lái)更多的耦合噪聲。

（二）防護(hù)線沿線過(guò)孔的影響

防護(hù)線上的過(guò)孔間距（常見(jiàn)的是在動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線之間插入的GND線上打via）對(duì)噪聲也有影響。因?yàn)榉雷o(hù)線上的遠(yuǎn)端噪聲只在過(guò)孔之間的區(qū)域產(chǎn)生。過(guò)孔間距越小，防護(hù)線上的最大遠(yuǎn)端噪聲越小。過(guò)孔越多，防護(hù)線上的遠(yuǎn)端噪聲越小。這意味著從防護(hù)線耦合到靜態(tài)線的噪聲也越小。其實(shí)這些過(guò)孔不直接影響動(dòng)態(tài)線耦合到靜態(tài)線的噪聲，它們只是抑制防護(hù)線上的噪聲幅度。

經(jīng)驗(yàn)法則是：先計(jì)算動(dòng)態(tài)線信號(hào)上升時(shí)間的空間延伸距離，而后在防護(hù)線上以此距離為單位，每單位至少打3個(gè)via。

例如：一個(gè)信號(hào)的上升時(shí)間是1ns，在FR4 PCB上信號(hào)速度是6in/ns，則空間延伸距離是6in。那么在防護(hù)線上每6in至少需要3個(gè)via。再舉一例，如果信號(hào)上升時(shí)間是0.7ns，那么空間延伸是4.2in，則在防護(hù)線上每4.2in需要3個(gè)via，即每1.4in打一個(gè)via。

看起來(lái)隨著信號(hào)上升時(shí)間越短，過(guò)孔間距也需要越小。由此需要考慮過(guò)孔數(shù)量和成本的平衡。其實(shí)在防護(hù)線上增加過(guò)孔數(shù)對(duì)靜態(tài)線的噪聲影響很小。

總之：當(dāng)設(shè)計(jì)中對(duì)信號(hào)串?dāng)_要求很高時(shí)，優(yōu)先走帶狀線，并且增大動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線距離，而且插入防護(hù)線，增大防護(hù)線間距。可以將隔離度降低到-160dB，即串?dāng)_噪聲系數(shù)是0.000001%。

另外，防護(hù)線和靜態(tài)線的距離會(huì)影響靜態(tài)線的阻抗。通常防護(hù)線和靜態(tài)線的距離在2倍線寬范圍內(nèi)，對(duì)靜態(tài)線的阻抗影響很小。否則，需要通過(guò)調(diào)整其他參數(shù)得到合適的靜態(tài)線阻抗。

還有一個(gè)信息：使用較小的介電常數(shù)材料，例如從FR4（介電常數(shù)4.5）換成聚酰亞胺（介電常數(shù)為3.5），可以在一定程度上降低串?dāng)_，只不過(guò)影響有限。同時(shí)為了保證傳輸線在介質(zhì)材料變化后，仍舊保持在50歐姆目標(biāo)阻抗，會(huì)縮小信號(hào)層和返回路徑層之間的介質(zhì)厚度。

15串?dāng)_帶來(lái)的靜態(tài)線上信號(hào)延遲

首先看帶狀線。發(fā)生在帶狀線之間的串?dāng)_，不會(huì)影響靜態(tài)線上原有信號(hào)的速度，也即不會(huì)影響它的時(shí)序。

不過(guò)對(duì)于微帶線，串?dāng)_對(duì)靜態(tài)線上信號(hào)的速度和時(shí)序就有影響了。例如三根10in長(zhǎng)的50Ω微帶線，線和線間距是5mil。中間藍(lán)色線是靜態(tài)線，兩邊綠色線是動(dòng)態(tài)線。動(dòng)態(tài)線上沒(méi)有信號(hào)時(shí)，靜態(tài)線信號(hào)本身由于10in長(zhǎng)度，造成延遲是1.6ns。動(dòng)態(tài)線上有信號(hào)時(shí)，而且信號(hào)方向與靜態(tài)線信號(hào)同向，靜態(tài)線延遲會(huì)增加。動(dòng)態(tài)線上有信號(hào)時(shí)，而且信號(hào)方向與靜態(tài)線信號(hào)反向，靜態(tài)線延遲會(huì)減少。

這是由于介質(zhì)材料不對(duì)稱(chēng)（信號(hào)線下方是FR4，信號(hào)線上方是空氣），和傳輸線之間電磁場(chǎng)不相同造成的。不過(guò)只有動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線之間的距離很近（例如1倍線寬），它們之間的電磁場(chǎng)重疊嚴(yán)重時(shí)，串?dāng)_才會(huì)影響靜態(tài)線信號(hào)時(shí)延。

16非均勻返回平面帶來(lái)的問(wèn)題

當(dāng)返回路徑不是均勻平面，或者介質(zhì)材料不均勻時(shí)（例如芯片封裝內(nèi)部、連接器和接插件上），回路互感中的感性耦合參數(shù)會(huì)變大。導(dǎo)致在和動(dòng)態(tài)線信號(hào)dI/dt相對(duì)應(yīng)的返回路徑上發(fā)生地彈。只有減小傳輸線回路互感，才能將返回路徑上的地彈降下來(lái)。有幾個(gè)方法可以降低回路互感。

①減小回路長(zhǎng)度，互感會(huì)減小。即選用小尺寸的連接器。

②增加信號(hào)線間距，互感會(huì)減小。不過(guò)這受到PCB尺寸限制。

③減小信號(hào)線和它自己的返回路徑之間的距離。互感會(huì)減小。

17總結(jié)：降低串?dāng)_的方法

①增加動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線之間的間距

②使用完整的大平面作為返回路徑

③動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線之間的耦合長(zhǎng)度盡量短

④使用帶狀線布線

⑤使信號(hào)路徑阻抗值在目標(biāo)范圍內(nèi)偏下限。

⑥使用介電常數(shù)小的PCB介質(zhì)

⑦動(dòng)態(tài)線和靜態(tài)線不要共用返回引腳，主要是在芯片封裝內(nèi)部和連接器中。

⑧使用兩端和整條線上有短路過(guò)孔的防護(hù)線。