在电路设计中,到底是用紧耦合还是松耦合来减少串扰?

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作者:牛玲,来源:信号完整性

      编者注:串扰在电路板设计中无可避免,如何减少串扰就变得尤其重要。在前面的一些文章中给大家介绍了很多减少串扰和仿真串扰的方法。本文作者从松紧耦合影响串扰的角度进行了分析。在国外的论坛上也有类型相关的文章。虽然最后的结论不是大家最想要的,但是这也验证了信号完整性界的名言:

It depends.

    串扰的根本原因是信号和返回路径的边缘电场和磁场从一条传输线耦合到另一条传输线。图1为两个微带线的边缘电场线。

图1 两条微带线的边缘电场线

图1 两条微带线的边缘电场线

         电场和磁场之间的耦合再加上干扰线上的信号传输方向对受害线造成不同类型的串扰,沿着受害线向前或者向后传输,相应的产生近端串扰和远端串扰。从电路的角度看,近端串扰噪声就是容性和感性的耦合噪声。干扰线与受害线之间的边缘耦合越小,串扰越小。边缘场会随着两条传输线间距离的增加大幅下降,所以要减小耦合,第一步就是增加传输线之间的距离。

         但是同样重要的是要将相邻返回平面距离信号线靠近些,这样边缘场不会有太多分散出去。对于相同的线间距,距离返回平面近些,串扰就会小些,当然这也会造成较低的特性阻抗。如果你很在意串扰,用各种办法来减小它,前提你要忍受较低的阻抗。

         在差分对中,通道与通道间的串扰主要由差分对相邻线间的耦合造成的。图2为两对差分线间的边缘场线。

图2  相邻通道间都边缘场线(两对差分对)

图2  相邻通道间都边缘场线(两对差分对)

         在差分对中,p和n之间耦合最紧密,差分对1和差分对2之间的大部分耦合都是来自相邻线n1和p2之间的耦合。n1和n2之间的耦合比n1和p2之间耦合的10%还小。然而如果我们使用紧耦合差分对,从n1到p2和n2的场线就会少一些,但是这并不是完整的图。

         如果加上限制条件,传输线差分阻抗为100 ohm,线宽为5mil,在紧耦合或松耦合或没有耦合之间,对于相同的边沿间距,出现了不同的现象。为了使差分阻抗维持在100 ohm,线宽为5mil,唯一的办法就是改变信号与平面之间的介质层厚度。

         如果开始用100ohm紧耦合的带状线差分对,增加线间距的过程中,线间耦合逐渐减小,为保持差分阻抗不变,介质层厚度就要减小,增加线和平面间的耦合来保持阻抗不变,平面就会距离信号线比较近。这时,边缘场线会更多的分布在干扰线附近,n1到p2之间的串扰也会减小。

         下边保持差分阻抗为100ohm,线宽不变,当p到n间的间距增大,平面间距减小,通道与通道的相邻线之间串扰就会减少。在n1到p2和n2上串扰噪声减小的微小差异完全被n1和p2之间较小的耦合所掩盖。

         图3显示了三种结构,分别为紧耦合,松耦合,没有耦合的情况,均为100ohm的差分阻抗,5mil线宽。在平面间距较大的情况下,在两个紧耦合的差分对中n1的边缘场,比松耦合差分对中的范围大。 

图3三种情况下的耦合,差分阻抗均为100ohm,线宽为5mil

图3三种情况下的耦合,差分阻抗均为100ohm,线宽为5mil

         图4显示了差分通道之间的近端噪声随着通道边缘距离增大的变化。对于相同的边沿间距,紧耦合要比松耦合的串扰大2倍多。在板子上使用紧耦合的差分对并不是为了达到较低串扰或者是较低的EMI的目的,而是为了使密度高和成本低。

图4  通道间的最大近端串扰随间距增大而改变,100ohm,5mil线宽的差分对

图4  通道间的最大近端串扰随间距增大而改变,100ohm,5mil线宽的差分对


         考虑到同一差分阻抗,同一线宽的限制,松耦合差分对的串扰一般都较小。

    上述都是有相邻平面层的情况,这个平面会影响差分阻抗和边缘场线辐射的范围。传输线可以是微带线,也可以是带状线。

         然而,没有相邻的返回平面时,差分对边缘场线的范围很大一部分会取决于线间耦合。紧耦合会把边缘场线辐射限制在附近,不会对相邻通道产生较大的串扰。这也是连接器、双绞线、过孔甚至是一些引线封装上常见的情况。

         结论:通过上边的分析,为了减小串扰到底是需要紧耦合还是松耦合,要根据实际情况而定了。

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