在如今的高速系统设计实现中,多层PCB已经被广泛地用于电路的布局布线中,采用多层PCB的最大优点是可以在有限面积的情况下,大大提高了布线的空间,设计中使用的元器件在布局时摆放得很紧凑,也可以通过过孔在多层信号走线中实现互连,从而使系统越来越向小型化发展。多层PCB一般都包括若干个信号层和若干个电源层,多个信号层和电源层的叠放顺序一般有多种设置,但通常是通过叠放顺序来构成标准的微带传输线和带状传输线。对于微带传输线和带状传输线来说,与之相邻的一般都有一个电源平面,相应的信号层与电源层之间是用电介质填充的。这个电介质层的厚度是影响传输线特性阻抗的重要因素,当它变大时,传输线特性阻抗会变大,当它变小时,传输线特性阻抗会变小。实际上,电介质层的厚度对串扰的影响也十分明显,这里对图5-29中的两线系统在布线时分别采用微带传输线(第一层)和带状传输线(第三层)两种布线结构进行了仿真,这两种情况除了使用不同的布线层外,其他条件如两线平行长度、间距、信号频率等均不变。因为两者相邻的电源平面均有地平面,通过改变传输线信号层与地平面层之间电介质的厚度(第一层和第二层之间电介质层的厚度,第二层和第三层之间电介质层的厚度)来观察串扰的变化。表5-4给出了被干扰对象的远端峰值串扰的变化。
表5-4 传输线离地平面的不同距离对应的远端峰值串扰
由仿真结果可见,传输线与地平面的距离,第一种采用的是4.4mil,第二种采用2倍于第一种距离,第三种是4倍于第一种的距离。从微带传输线上看,第二种串扰大约是第一种的3倍,第三种大约是第一种的6.5倍,即传输线与地平面之间的电介质层的厚度对串扰的影响很大。对于同一布线结构,当电介质层的厚度增大1倍时,串扰明显加大了;反之,当电介质层厚度减小时,串扰明显减小。另外,对于同样的电介质层厚度,带状传输线的串扰要小于微带传输线的串扰,如第一种情况微带传输线为40.1mV的串扰噪声,带状线传输线只有21.2mV串扰噪声。由分析可得,地平面对不同结构的传输线的影响也是不同的。因此在高速电路布线时,若带状传输线的阻抗控制能够满足要求,尽量使用带状传输线结构。同样情况下,带状传输线可以比使用微带传输线获得更好的串扰抑制效果。
不管是设计前的串扰计算,还是布局布线前的仿真,或是布局布线后的仿真,都是为了使PCB能快速达到最小的干扰。通过以上分析与仿真结果,可以归纳总结出减小串扰的一些方法:
1)容性耦合和感性耦合产生的串扰随受干扰线路负载阻抗的增大而增大,所以减小负载可以减小耦合干扰的影响。
2)在情况允许的情况下,尽量增大可能发生容性耦合导线之间的距离,更有效的做法是在导线间用地线隔离。减小平行走线的长度,必要时采用jog方式走线。
3)在相邻的信号线间插入一根地线也可以有效减小容性串扰,这根地线需要每1/4波长就接入地层。(www.xing528.com)
4)感性耦合较难抑制,要尽量降低回路数量,减小回路面积,不要让信号回路共用同一段导线。
5)避免信号共用环路。
6)在设计走线时,应该尽量使导体靠近地平面或电源平面。这样可以使信号路径与地平面紧密地耦合,减小对相邻信号线的干扰。
7)在确保信号时序的情况下,尽可能地选择上升沿和下降沿速度更慢的器件,使电场和磁场变化的速度变慢,从而降低串扰。
[1]1in=0.254m,后同。
[2]1mil=25.4×10-6m。
[3]1in=0.0254m。
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