信号完整性系列之“减小串扰的3W原则”
cathy -- 周一, 12/07/2020 - 16:40本文主要介绍PCB设计中常见的“3W原则”。
什么是“3W原则”
在PCB设计时,为了减少线间串扰,经常会听说“3W原则”、“20H原则”、“五五规则”等,下面就具体来介绍一下3W原则。3W原则其实就是为了减小串扰,让走线与走线之间保持3倍线宽的间距,这就是所谓的3W规则。
本文主要介绍PCB设计中常见的“3W原则”。
什么是“3W原则”
在PCB设计时,为了减少线间串扰,经常会听说“3W原则”、“20H原则”、“五五规则”等,下面就具体来介绍一下3W原则。3W原则其实就是为了减小串扰,让走线与走线之间保持3倍线宽的间距,这就是所谓的3W规则。
工程界常常使用保护地线进行隔离,来抑制信号间的相互干扰。的确,保护地线有时能够提高信号间的隔离度,但是保护地线并不是总是有效的,有时甚至反而会使干扰更加恶化。使用保护地线必须根据实际情况仔细分析,并认真处理。
保护地线是指在两个信号线之间插入一根网络为GND的走线,用于将两个信号隔离开,地线两端打GND过孔和GND平面相连,如图所示。有时敏感信号的两侧都放置保护地线。
要想加入保护地线,首先必须把两个信号线的间距拉开到足以容纳一根保护地线的空间,由于拉开了信号线的间距,即使不插入保护地线,也会减小串扰。插入保护地线会有多大的作用?
低频模拟信号包地
我们来看表层微带线情况下串扰的大小。假设走线是50Ω阻抗控制的,线宽为6mil,介质厚度为3.6mil,介电常数为4.5。并假设两路信号都是载波频率为30Mhz,带宽为2Mhz的模拟信号。
信号完整性的定义 定义:信号完整性(Signal Integrity,简称SI)是指在信号线上的信号质量。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的,而是板级设计中多种因素共同 引起的。当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收端时,该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应时,就出现了信号完整性问题。
信号完整性包含:
1、波形完整性(Waveform integrity)
2、时序完整性(Timing integrity)
3、电源完整性(Power integrity)
信号完整性分析的目的就是用最小的成本,最快的时间使产品达到波形完 整性、时序完整性、电源完整性的要求。
我们知道:电源不稳定、电源的干扰、信号间的串扰、信号传输过程中的反射,这些都会让信号产生畸变,看下面这张图,你就会知道理想的信号,经过:反射、串扰、抖动,最后变成什么鬼。
随着电路设计高速高密的发展趋势,QFN封装已经有0.5mm pitch甚至更小pitch的应用。由小间距QFN封装的器件引入的PCB走线扇出区域的串扰问题也随着传输速率的升高而越来越突出。对于8Gbps及以上的高速应用更应该注意避免此类问题,为高速数字传输链路提供更多裕量。本文针对PCB设计中由小间距QFN封装引入串扰的抑制方法进行了仿真分析,为此类设计提供参考。
问题分析
在PCB设计中,QFN封装的器件通常使用微带线从TOP或者BOTTOM层扇出。对于小间距的QFN封装,需要在扇出区域注意微带线之间的距离以及并行走线的长度。图一是一个0.5 pitch QFN封装的尺寸标注图。
图二是一个使用0.5mm pitch QFN封装的典型的1.6mm 板厚的6层板PCB设计:
关于串扰,之前发布过两篇文章,但都浅尝辄止,本文试图从串扰的根本原理出发,重新探讨串扰话题,为高级篇。
提到串扰,对于大多数信号完整性工程师来说,首先想到的应该就是图1所示的典型的串扰原理图和图2所示的典型的串扰波形。
为了更好的理解和解释串扰的各种概念,今天尝试对串扰进行仿真,选择最简单易用的HyperLynx进行一系列的串扰仿真。
1、微带线串扰仿真
1)仿真模型
在HyperLynx中搭建如下电路,U1为驱动端,电路模型为CMOS, 3.3V, 上升沿驱动,U2为接收模式。
在HyperLynx中通过对叠层进行设置,设置传输线为微带线,传输线线宽为9 mil, 线间距为8 mil, 距离走线下方参考层的高度为5 mil, 相对介电常数为3.9,线长为68 inch, 传输延时为10 ns。
仿真结果如下:
1、串扰的概念
串扰是信号完整性中最基本的现象之一,尤其现在大多数电子产品越来越小,PCB板上走线密度越来越大,信号速率越来越高,串扰问题也越来越困扰SI工程师。
到底什么是串扰呢,我们从最直观的一个波形开始,看一看串扰到底会引起什么问题,下图黄色圈内的波形即为受到串扰影响的信号,在信号高电平或低电平产生毛刺,从而影响系统稳定性。
我们知道,当信号沿传输线传播时,在信号路径和返回路径之间将产生电力线;围绕在信号路径和返回路径周围也会产生磁力线。这些电场和磁场还会延伸到周围的空间。这些延伸出去的场被称为边缘场,如果另外一根信号线刚好在边缘场范围之内的话,就会受到干扰,这样的一种耦合效应我们就称为串扰。
继上一篇“差模(常模)噪声与共模噪声”之后,本文将对“串扰”进行介绍。
串扰