解析嵌入式系统串扰问题

作者：时间：2012-03-12来源：网络收藏

引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/149460.htm

在嵌入式系统硬件设计中，串扰是硬件工程师必须面对的问题。特别是在高速数字电路中，由于信号沿时间短、布线密度大、信号完整性差，串扰的问题也就更为突出。设计者必须了解串扰产生的原理，并且在设计时应用恰当的方法，使串扰产生的负面影响降到最小。

1 串扰理论分析

串扰主要源自两个相邻导体之间所形成的互感与互容。在高速数字电路中，互感通常比互容的问题更严重。

1.1 互容

一个电路产生电场，该电场会影响第二个电路，这种相互影响的系数称为它们的互容。

式中，CM为互容，ΔV为驱动波形的阶跃幅度，TR是驱动波形的上升时间，RB是接收电路的接地阻抗。

由式1可知，互容串扰电压与CM、ΔV/TR 、成正比，因此，减小互容串扰电压的方法有：
　　
② 减小ΔV/TR。在确保信号时序的前提下，尽可能选择信号沿较缓的器件。

③ 减小RB。减小被干扰电路接地阻抗，对被干扰电路进行末端端接，为被干扰电路并接去耦电容。

1.2 互感

两个信号回路相互靠近时，一个信号回路的磁场变化将影响另一个信号回路，这种影响就是互感。互感的大小取决于信号回路的自感与两个信号回路耦合的程度。

式中，LM为互感，ΔV为驱动波形的阶跃幅度，TR是驱动波形的上升时间，RA是驱动电路的源端阻抗。

由式(2)可知，互感串扰电压与LM、ΔV/TR 成正比，与RA成反比。因此，减小互感串扰电压有如下方法。

（1）减小LM

① 增大信号走线间距（因为LM随着间距平方的增加而下降，关键信号可采用3W原则）。

② 为信号提供完整的参考平面。在低速电路中，电流沿着电阻最小路径前进，而高速信号沿着电感最小路径前进。电感最小的返回路径就紧贴在一个信号导体下面，它使输出电流路径与返回电流路径之间的总回路面积最小，从而使输出电流路径与返回电流路径的干扰磁场相互抵消。

③ 减小信号到参考平面的距离，从而减小环路面积，达到减小LM的目的。

④ 尽可能地减小相邻信号间的平行长度。平行长度越短，则总的LM越小。

⑤ 无参考平面隔离的相邻信号层走线方向应该垂直，可减小磁场耦合程度。

⑥ 对串扰较敏感的信号线尽量布在内层，以减小磁场耦合程度。

（2）减小ΔV/TR

在确保信号时序的前提下，尽可能选择信号沿较缓的器件。

（3）增大RA

在干扰电路源端串接电阻，减小电流变化斜率，同时要兼顾与传输线阻抗匹配，避免信号反射。

1.3 近端串扰和远端串扰

图1 两条传输线的耦合

如图1所示，假设位于A点的驱动器是干扰源，而位于D点的接受器为被干扰对象，那么驱动器A所在的传输线被称为“干扰源网络”或“侵害网络(Agreessor)”，相应的接收器D所在的传输线网络被称为“静态网络”或“受害网络”。静态网络靠近干扰源一端的串扰称为“近端串扰”(也称后向串扰)，而远离干扰源一端的串扰称为“远端串扰”(也称前向串扰)。根据产生的原因不同，可将串扰分为容性耦合串扰和感性耦合串扰两类。

受侵害线上近端和远端串扰噪声的波形可以通过图2得出。当一个数字脉冲上升沿进入传输线，它将不断地在受侵害线上感应出噪声，一部分串扰噪声将传向近端，另一部分将传向远端。远端串扰脉冲与侵害线上的信号经过时间TD(信号在传输线上的延迟时间)后同步到达终端。近端串扰脉冲将起始于侵害线上信号变化沿出现的时刻，而侵害信号到达终端前产生的最后一部分近端串扰信号将在t=2TD时刻才到达近端，这是因为这部分信号要经过整条传输线才能被传回近端。所以，近端串扰起始于t=0，并且持续2TD的时间。远端串扰起始于t=TD，持续时间为数字信号的上升或者下降时间。