用以PCB质量认证的频域串扰测量方法剖析

　　文中探讨了串扰的构成，并向大家展现了怎么运用澳波的TDS8000B系列产品取样数字示波器或CSA8000B系列产品通讯数据信号检测仪来精确测量单层PCB板上的串扰。

　　伴随着通讯、视頻、互联网和电子信息技术行业中数据体系的运转速率日益加速，对该类系统软件中的印刷线路板(PCB)的质量需求也变得越来越高。初期的PCB设计在遭遇数据信号頻率日益提高和单脉冲增益值日益减少的情形下已没法为了确保特性和工作标准。在现阶段的PCB设计中，大家必须运用传输线理论对PCB以及部件(边沿射频连接器、微带线和电子器件电源插座)开展模型。仅有完全掌握PCB上串扰造成的方式、体制和不良影响，并采取相对应技术性较大 程度上地多方面抑止，才能帮助我们提升包括PCB以内的体系的稳定性。文中主要是紧紧围绕PCB设计进行，但坚信原文中所谈论的信息也有利于电缆线和射频连接器的表现等其他运用场所应用。

　　串扰很有可能导致的不良影响

　　PCB设计师往往关注串扰这一状况，是由于串扰很有可能导致下列特性领域的难题：

　　>噪音脉冲信号上升，

　　>有危害顶峰毛边，

　　>数据信息边缘颤动，

　　>出现意外的讯号反射面。

　　这一些难题中什么会对PCB设计有一定的危害在于各个方面要素，例如板上常用时序逻辑电路的特点、线路板的设计方案、串扰的方式(反方向或是前向)及其影响线和被影响线两侧的线接状况。下面给予的信息内容可协助阅读者加重对串扰的了解和科学研究，进而减少串扰对设计方案的危害。

　　科学研究串扰的方式

　　为了更好地尽量减少PCB设计中的串扰，大家需要在容抗和阻抗角中间找到均衡点，务求做到额定值特性阻抗值，由于PCB的可制作性规定同轴电缆特性阻抗获得较好操纵。在电源设计进行以后，板上的元器件、射频连接器和线接方法确定了哪几种种类的串扰会对电源电路特性造成很大的危害。运用频域测量法，根据测算转折点頻率和了解PCB串扰(Crosstalk-on-PCB)实体模型，能够协助设计方案工作人员设定串扰剖析的界限范畴。

　　频域测量法

　　为了更好地精确测量与剖析串扰，可选用时域技术性观查频带中数字时钟的谐波电流份量与这种谐波电流頻率上EMI最高值中间的关联。但是，对模拟信号边缘(从数据信号脉冲信号的10%升高到90%常用的時间)开展频域精确测量也是精确测量与剖析串扰的一种方式，并且频域精确测量也有下列优势：模拟信号边缘的转变速率，换句话说增益值，立即展现了数据信号中每一个頻率成份有多大。因而，由数据信号边缘界定的数据信号速率(即增益值)也可以协助揭露串扰的体制。而增益值可立即用以测算转折点頻率。文中将应用增益值测量法对串扰开展论述和精确测量。

　　转折点頻率

　　为确保一个数据系统软件能稳定工作中，设计方案工作人员务必科学研究并认证电路原理在转折点頻率下列的特性。对模拟信号的时域分析表明，高过转折点頻率的讯号会被衰减系数，因此不可能对串扰造成实际危害，而小于转折点頻率的数据信号所包括的力量足够危害电源电路工作中。转折点頻率根据下式测算：

　　fknee = 0.5/ trise

　　PCB串扰实体模型

这节得出的模式为不一样方式串扰的分析带来了一个服务平台，并阐述了两根微带线中间的互特性阻抗是怎样在PCB上导致串扰的。图1是一个概念设计的互特性阻抗实体模型。

　　图1：PCB上二根布线中间的互特性阻抗。

　　互特性阻抗顺着两根布线呈分布均匀。串扰在数据逻辑门向串扰线搞出上升沿时造成，并顺着布线开展散播：

　　1．互电容器Cm和互电感器Lm都是会向邻近的被影响网上藕合或“串扰”一个工作电压。

　　2．串扰工作电压以总宽相当于影响网上单脉冲增益值的窄单脉冲方式产生在被影响网上。

　　3．在被影响网上，串扰单脉冲一分为二，随后逐渐向2个相对的方位散播。这就将串扰分为了两一部分：沿原影响单脉冲散播方位传递的前向串扰和沿反过来放向信号源散播的反方向串扰。

　　串扰种类与藕合体制

　　依据前边探讨的实体模型，下边将详细介绍串扰的藕合体制，并探讨前向和反方向这二种串扰种类。

　　电容耦合体制

　　电源电路中的互电容器引发的影响体制：

　　>影响网上的单脉冲抵达电容器时，会根据电容器向被影响网上藕合一个窄单脉冲。

　　>该藕合单脉冲的力度由互电容器的高低决策。

　　>随后，藕合单脉冲一分为二，并逐渐沿被影响线向2个相对的方位散播。

　　电感器或变电器藕合体制

　　电源电路中的互电感器会造成以下的影响：

　　>在影响网上推广的单脉冲将对展现电流量顶峰的下一个部位开展电池充电。

　　>这类电流量顶峰会形成电磁场，随后在被影响网上磁感应出电流量顶峰来。

　　>变电器会在被影响网上造成2个极性相反的工作电压顶峰：负顶峰按前向散播，正顶峰按反向传播。

　　图2：电容耦合式串扰。

　　图3：电感器藕合式串扰。

　　图4：反方向串扰。

　　图5：前向串扰。

　　反方向串扰

　　以上实体模型造成 的电容器和电感器藕合串扰工作电压会在被影响线的串扰部位造成累积效用。所致使的反方向串扰包括下列特点：

　　>反方向串扰是2个同样旋光性单脉冲之和。

　　>因为串扰部位随影响单脉冲边缘散播，反方向影响在被影响线源端展现为低电频、宽差分信号，而且其总宽与布线长短存有对应关系。

　　>反射面串扰力度单独于影响线单脉冲增益值，但在于互特性阻抗值。

　　前向串扰

　　必须严格执行的是，电容器和电感器藕合式串扰工作电压会在被影响线的串扰部位累积。前向串扰包含下列一些特点：

　　>前向串扰是2个反极单脉冲之和。由于极性相反，因而結果在于电容器和电感器的相对值。

　　>前向串扰在被影响线的尾端展现为总宽相当于影响单脉冲增益值的窄顶峰。

　　>前向串扰在于影响单脉冲的增益值。上升沿越快，力度越高，总宽就越窄。

　　>前向串扰力度还在于线对长短：伴随着串扰部位随影响单脉冲边缘的散播，被影响网上的前向串扰单脉冲将得到大量的动能。

　　串扰的表现

　　这节将利用好多个单面PCB上的精确测量案例来科学研究串扰的形成体制和前边详细介绍的几类串扰种类。

　　留意：欲了解双层PCB以及接地质构造上的串扰难题以及不良影响，请阅读文章文中结尾的相关资料或其他資源。

　　仪器设备和设定

　　为了更好地在试验室中合理地精确测量串扰，应当应用精确测量网络带宽为20 GHz的宽带网络数字示波器，并根据一个高质量脉冲计数器輸出一个增益值相当于数字示波器增益值的单脉冲推动被测电源电路。与此同时选用高质量电缆线、线接电阻器和电源适配器联接被测PCB。

　　澳波8000B系列产品仪器设备中组装有80E04电子器件取样控制模块，是取得成功精确测量串扰的理想化仪器设备组成。80E04是一款双通道内存取样控制模块，包括有一个TDR阶跃电压发生器，能造成增益值为17ps的250mv窄单脉冲，并且以50欧母的源特性阻抗輸出。测试工程师只需连招待测PCB就可以。

　　前向串扰精确测量

　　假如仅仅精确测量前向串扰，需将全部布线开展线接以解决反射面。前向串扰应在优良线接的被影响线的尾端精确测量。仪器设备设定见图6。

　　图6：前向串扰的精确测量。

　　假如互电感器比互电容耦合的串扰大，那麼在影响单脉冲的上升沿处串扰单脉冲应是负，总宽相当于影响单脉冲的增益值。图上仪器设备表明的也是一个力度为48.45 mV的负单脉冲(C4)。影响脉冲幅度为250 mV，而串扰力度接近50 mV，因而该影响单脉冲的迅速边缘在被影响网上造成了20%的串扰。见图7。

　　图7：精确测量获得的前向串扰。

　　因为精确测量时来源于80E04的键入阶跃电压具备十分快的边缘，因此获得的串扰过大，并无法意味着具体时序逻辑电路中的驱使数据信号。比如，假如推动数据信号来源于一个1.5 ns的CMOS门，造成的串扰单脉冲就更宽，力度也更小。要使精确测量可以反映出这个状况，可运用设备的界定优化算法(Define Math)作用在数据信号捕捉以后提升一个带通滤波器。图7中的M1波型(乳白色)得出的便是经过滤后的测定結果。必须特别注意的是M1在竖直方位比没经过滤的波型比较敏感10倍。

　　虽然数学分析早已证实，数据信号捕捉后开展低通滤波器这类工艺的功效与对联接到网上的影响单脉冲开展物理学过滤的实际效果是同样的，但下列两步精确测量却更有感染力：

　　>精确测量由2个上升沿一快一慢而力度同样的影响单脉冲造成 的串扰，

　　>随后将上升沿快的影响单脉冲造成 的串扰根据低通滤波器变至慢上升沿影响单脉冲的串扰，最终查验結果。

　　图8得出了仪器设备上显示信息的测定結果：

　　图8：前向串扰的后滤。

　　>$波型(R2)是慢沿影响单脉冲，鲜红色波型(R3)是由它致使的串扰。

　　>翠绿色波型是快沿TDR单脉冲(R1)，乳白色波型(R4)是由它致使的串扰。

　　>深蓝色波型是由乳白色波型过滤后缓解了单脉冲上升沿获得的波型，它表示的也是对串扰开展后过滤的結果。图上展现的红色和蓝色2个串扰波型是以同样的工作电压标尺表明的。

　　反方向串扰精确测量

　　图9：反方向串扰的精确测量。

　　单测反方向串扰时，需将影响线与被影响线均线接一个50 欧母的电阻器以解决反射面。精确测量应在被影响线的左方开展，如图所示9所显示。反射面单脉冲的力度很低，总宽是线长的二倍，由于在布线尾端的串扰必然要传到走线源端。图??表明的是反方向串扰的检测状况，图上快沿影响单脉冲发生的串扰约为?? mV，等同于影响脉冲幅度的4%。反方向串扰的力度与影响单脉冲的增益值不相干。图10中，下边2个波型为慢沿单脉冲发生的串扰和快沿单脉冲发生的串扰经后过滤获得的波型，他们的力度全是6.5 mV。布线线长与影响单脉冲增益值的差别促使慢沿单脉冲发生的反方向串扰力度较小。

　　图10：精确测量获得的反方向串扰。

　　由于这时影响单脉冲的增益值要超过布线的线长，故单脉冲边缘沿布线方位回传入走线源端时还未抵达力度端点。图11所显示为运用一台200 ps增益值产生器(DG2040)和80E04取样控制模块的17 ps产生器的輸出做为影响单脉冲时获得的串扰精确测量結果。图上展现的3个串扰波型均选用5 mV/div的工作电压标尺。

　　图11：反方向串扰与数据信号增益值是互不相容的。

　　在其中，乳白色波型是增益值为17 ps的影响单脉冲发生的串扰经波型计算作用后过滤(post filtering)到200ps增益值的結果。这种精确测量都确认，除非是影响单脉冲的增益值超出布线长短，不然该增益值并无法危害反方向串扰。而假如影响单脉冲的增益值超出布线长短，那麼发生的反方向串扰力度较小，由于在这里情形下单脉冲边缘踏过成条布线都还不可以做到力度端点。

　　电路原理对串扰的危害

　　尽管根据细心的PCB设计能够 降低串扰并消弱或解决其危害，但电路板上仍很有可能有一些串扰残余。因而，在开展电路原理时，还应选用适宜的线端负荷，由于线端负荷会危害串扰的尺寸和串扰随時间的减弱水平。下边是一个精确测量案例，它阐明了布线尾端与逻辑门电路輸出处的线端负荷会如何衰减系数串扰并变弱产生串扰的诱因。

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