电路笔记(PCB):串扰的原理与减少串扰的几种方法

串扰

• 串扰（Crosstalk）是指在电路中，一条信号线上的电磁干扰不经意间耦合到另一条相邻的信号线上，从而影响其正常信号传输的现象。串扰会导致相邻信号线上的信号出现畸变或噪声，从而影响信号的完整性和电路的正常工作。

串扰的类型

串扰主要有以下两种类型：

1. 近端串扰（NEXT, Near-End Crosstalk）：

   • 近端串扰是指在信号源端发生的串扰现象，信号通过电磁耦合影响到相邻信号线上的信号，导致噪声出现在信号源端口附近。

2. 远端串扰（FEXT, Far-End Crosstalk）：

   • 远端串扰是指在信号接收端发生的串扰现象，噪声信号会在信号接收端口处出现。

• 串扰会导致以下几种问题：
  • 信号失真：串扰会引起信号线上的信号发生畸变，影响信号的完整性。
  • 数据误码：在高速数字通信中，串扰可能导致数据传输过程中的误码，从而影响通信的可靠性。
  • 噪声干扰：串扰会引入额外的噪声，影响系统的信噪比，尤其在高精度模拟信号处理中影响较大。

串扰的基本原理

• 上升沿信号的在一点上的影响如下：

• 串扰的产生主要源于电磁耦合，这种耦合可以通过电容耦合（电场）和感应耦合（磁场）两种方式发生,最终的噪声为两种效应的叠加：

1. 电容耦合（电场耦合）：
   • 发生在两条信号线之间的电压差会导致电荷的分布变化，从而在相邻的信号线上感应出电压。这种耦合通常在高频信号中表现得更为明显。
   • 下图为只考虑电容耦合时上升沿信号在导线一点对受扰线的影响效果。

• • 类似多普勒效应（间下边的动图），上升沿在向前传播时，会形成动态叠加。近端噪声时一个宽度为两倍上升时间，幅度较小的脉冲。

2. 感应耦合（磁场耦合）：
   • 当电流通过一条信号线时，会在其周围产生磁场。这个磁场可以在相邻的信号线上感应出电流，形成感应噪声。同样会在tn时刻有综合的效果，近端仍是宽的正小噪声，远端是窄的大噪声（这里省略作图了）。

总结

串扰是电子电路设计中需要特别关注的问题，尤其在高频、高速信号传输中更为突出。通过合理的布局布线、适当的屏蔽和信号隔离设计，可以有效降低串扰，确保电路的稳定性和信号的完整性。

如何减少串扰

• 最大可容许串扰大约是信号摆幅的5%。为了减少串扰对电路性能的影响，可以采取以下措施：

1. 增加信号路径之间的间距

• 原理：增加信号线之间的间距（从W增加到3W）可以显著减少远端串扰（65%左右）。
• 权衡：这种方法虽然有效，但会降低互连密度，导致电路板面积增大，成本上升。

2. 减小耦合长度

• 原理：远端串扰噪声与耦合长度成正比，缩短耦合长度可以有效减小远端噪声。例如，当耦合长度很短（如0.1ns对应的线长约0.6英寸），远端噪声幅度可以大幅降低。
• 应用：在一些紧密耦合区域（如BGA下方），即使耦合密集，但只要耦合长度短，也能控制远端串扰。

3. 在表面层导线的上方加介质材料

• 原理：当无法减小耦合长度时，可以在表面导线的上方涂覆介质材料（如较厚的阻焊层），以减少远端串扰噪声。
• 注意事项：增加介电涂层的厚度可能引起近端串扰的增加，并降低传输线的特性阻抗，因此在加涂层时必须综合考虑这些因素。

4. 将敏感线布成带状线

• 原理：微带线结构通常由导体带、电介质层和接地平面组成。微带线位于PCB的表面层，而带状线则嵌入在PCB的内层。带状线（Stripline）结构是将信号线放置在PCB的内层，并用两层接地层包裹，这样可以最大限度地减少远端噪声。由于信号线被均匀的介质材料包围，耦合效应被显著减弱，因此远端噪声较低。
• 优点：带状线结构能够提供稳定的电气性能，特别适用于敏感信号线。如果在设计中远端噪声成为问题，采用带状线布线是最安全、最有效的解决方案。
• 注意事项：虽然带状线结构有效，但实际上介质材料的完全均匀性难以实现。介质材料通常是由核心叠层和预浸材料组成的组合。预浸材料含有较多的树脂，其介电常数通常比核心叠层小，这种不均匀性可能导致远端噪声的微小变化。

5. 防护布线

• 隔离作用：防护布线通过阻隔干扰信号的传播路径，减少信号之间的电磁耦合，从而降低串扰。
• 位置与宽度：防护线应尽量靠近受害线，并尽可能宽，以增强隔离效果。同时，防护线的宽度和间距需要符合PCB的设计规则。
• 电气连接：防护线通常与地平面相连，或者保持在一个固定电位上，以最大化屏蔽效果。如果不接地会形成孤岛，强化串扰影响。相关实验视频链接。
• 噪声抑制：两端接地时信号在两端震荡。在防护布线上增加多个“接地过孔”，可以为防护布线提供多个接地点或电位参考点。每个过孔都会将防护布线与接地层连接，从而有效地抑制和分散在防护布线上产生的噪声电压。

6. 采用差分信号

• 差分传输是一种相较于单端传输更为复杂但也更为可靠的信号传输技术。它的关键特点是利用两根信号线来传输相同振幅但相位相反的信号。
• 差分信号布线可以有效减少电磁干扰，因为差分对中的两条信号线会产生相反的电磁场，互相抵消干扰。

7. 控制走线长度

• 尽量减少信号线的长度和并行走线的长度，降低串扰的影响。

8. 多层布线

• 通过多层PCB设计，可以将关键信号线放置在不同层面上，减少信号间的相互耦合。