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管理互連密度和信號噪聲

2020-06-20

經驗豐富的PCB設計人員，那么您將了解“ 3W”規則，該規則規定走線之間的間距應始終至少為每條走線寬度的3倍。這個過時的規則并沒有說明您的疊層或環路電感，但許多設計師仍然堅持使用此規則。隨著HDI板被推向更小的尺寸和更高的密度，例如在具有6 mil跡線的基帶芯片中，跡線之間的串擾和互連噪聲耦合的強度將取決于它們之間的間距。這意味著您需要一種方法，以根據互連密度快速評估電路板中的串擾和EMI磁化率。

在設計PCB時，需要執行這些仿真并分析布局后的情況。換句話說，原理圖編輯器無法考慮走線和組件的物理布局，因此不能用于模擬與堆棧，走線大小或走線密度有關的任何事情。原理圖編輯器中的電路仿真器仍然在電路仿真中占有一席之地，但是管理互連密度需要直接從布局數據確定噪聲耦合。

電路板將需要平衡許多不同的幾何要求，以防止單端和差分走線之間發生串擾。高密度板上的困難僅是因為當您靠近走線時，走線發出的電磁場會更強。寬帶信號的低頻部分將（通過磁場）感應耦合到附近的跡線，而寬帶信號的高頻部分（通過電場）將感應耦合到附近的跡線。

相聲

在管理互連密度時，您需要考慮不同類型的信號如何相互耦合。單端和差分對以各種方式與其他類型的走線耦合，下表顯示了信號完整性仿真所期望的結果摘要。請注意，在單端→差分對串擾結果中，共模噪聲或差分模式噪聲的存在取決于受害差分對（S）中走線之間的間隔值以及該對離地線對的高度（ H）。

在上表中，我們假設所有單端走線和差分對都位于同一層上（即，沒有寬邊耦合）。這是在大多數布局中需要模擬的常見情況。較寬的差分對是較不常見的布置，當并排放置時，它們會產生強烈的串擾。在所有情況下，差分對之間的串擾將比可比的單端走線之間的串擾弱，并且隨著分離距離的增加，串擾強度將變弱。

由于市售數字電路的上升時間，在大多數數字系統中，鑒于相關信號上升時間，您的走線電感將主導串擾。但是，每個人都應該期望信號上升時間會繼續下降，以適應更高數據速率的通道（例如800G和更高的SerDes），這可能會將有用的信號帶寬推近100 GHz。有時，系統中需要考慮電容性串擾和電感性串擾。

量化EMI

相同的幾何約束也將影響電路板對外部EMI的敏感性。電路板上信號走線的電感決定了它們對外部EMI的敏感性。電感耦合EMI產生于外部源的磁場，該磁場可能是寬帶信號。外部EMI源（例如系統中的另一塊板）會在不連續的峰值處強烈發射。隔離不良的時鐘和高電流開關電源就是最好的例子。

EMI耦合為電路板中單端和差分網絡上的共模噪聲。耦合到走線中的噪聲然后可以通過線性或非線性分量傳播，然后可以以更高的諧波生成噪聲。感應噪聲和信號完整性之間的復雜反饋可能很難方便地模擬。但是，您的目標應該是通過最小化電路板上關鍵網絡中的環路電感來最小化EMI。

模擬EMI和串擾與互連密度

您可以在完成布局之前或之后創建串擾模擬。我認為，最好在PCB上創建一個只有兩個驅動器和一個接收器的測試板，其中有兩個互連。如果并排走線，則可以使用Sigrity中的仿真工具來計算互連之間的串擾。然后，您可以更改走線之間的距離，走線的寬度以及層堆棧，以確定每個參數如何影響串擾強度。

從仿真中生成理想波形后，就可以繼續進行電路板布線了。一旦完成了PCB布局，就可以在關鍵網絡上進行另一輪仿真來完成電路板。兩種情況的目的都是為單端和差分網絡確定合適的走線密度。在第一輪驗證仿真中確定適當的間隙后，您可以將適當的走線間距和差分對間距設置為設計規則,將在布局PCB時遵循這些設計規則。

如果您可以準備如下圖所示的圖形，則在完成布局之前，您已經做了很多艱苦的工作來防止串擾。在該圖中，使用了單個極限頻率（2 GHz），具有固定的層間隔和走線厚度。隨著回路電感的增加，增加層間距將使曲線沿圖形向上移動。

串擾與互連間距

在如此簡單的圖形中總結出EMI可能更加困難，因為您將看到的結果可能是復雜的頻率和幾何函數。但是，使用正確的仿真工具，您可以檢查整個PCB的EMI敏感性和串擾強度。

創建互連信號噪聲模擬

當您進入Allegro Sigrity時，可以從Allegro Sigrity SI主窗口中的Analysis Workflows選項卡訪問串擾模擬。下面顯示的一組差分對是串擾仿真的主要候選對象。首先，您需要在設置模擬時按名稱選擇網絡。

將您的電路板置于Sigrity中，以進行互連信號噪聲仿真

在分析中設置的另一個重要點是將包含在分析中的每個網絡周圍的區域。如果單擊“分析工作流程”選項卡中的“分析選項”條目，則可以使用GeoWindow選項設置每個跡線周圍的模擬區域的大小。

定義設置后，該工具將返回與設計規則進行比較的結果。結果以顏色編碼并按降序排列。盡管它們是用顏色編碼的，但您也可以看到一個數值結果，以便可以比較由于互連信號噪聲引起的峰值過壓/欠壓，并將其與信令標準進行比較。

LVDS組件在接收器上看到的互連信號噪聲耦合（串擾）仿真結果（接收器需要3.3 V差分電壓）

當我們專門查看LST_RESET網絡時，我們看到3條侵害者跡線，在該網絡上產生串擾

在受害跡線上互連信號噪聲圖

在該網絡中，解決方案是修改受害者跡線和攻擊者跡線之間的間隔。由于產生此級別的互連信號噪聲涉及3條走線，因此難以確定最佳走線布置。將受害跡線移離一個攻擊者可能需要將其移近其他攻擊者之一。在這種情況下，您應該試驗不同的布置，然后重新運行仿真以確定最小化串擾的布置。

您可以在Allegro Sigrity SI的“分析工作流程”選項卡中訪問其他重要的模擬：

阻抗工作流程：檢查由于共模或差模驅動下的耦合而引起的阻抗不連續和沿走線的變化。

耦合工作流程：提取不同網絡之間的耦合系數，這將決定偶數和奇數模式阻抗。

反射工作流程：檢查由于較小的阻抗不匹配而引起的來自接收器的反射。

返回路徑工作流程：檢查單端網絡中信號的返回路徑。