PCB新聞 - PCB時域串擾測量方法

時域串擾測量方法 PCB質量 verification
Analysis of time-domain crosstalk measurement method for PCB質量 verification
This article discusses 這個 composition of crosstalk and shows readers how to use Tektronix’s TDS8000B series sampling oscilloscope or CSA8000B series communication signal analyzer to measure crosstalk on a single-sided PCB.
隨著通信領域數位系統速度的不斷加快, 視頻, 網絡和電腦技術, 這個 quality requirements for printed circuit boards (PCBs) in such systems are also getting higher and higher. 早期 PCB設計 在訊號頻率新增和脈衝上升時間减少的情况下，無法保證系統性能和工作要求. 在當前 PCB設計, we need to use transmission line theory to model the PCB and its components (edge 連接器, 微帶線, and component sockets). 只有充分理解形式, PCB上串擾的機制和後果，以及使用相應的科技來最大程度地抑制串擾，可以幫助我們提高包括PCB在內的系統的可靠性. 本文主要關注 PCB設計, 但我相信，本文討論的內容也將有助於其他應用，例如電纜和連接器的特性描述.

串擾的可能後果

PCB設計師關心串擾的原因是串擾可能會導致以下效能問題：

>譟音水准升高，

>有害的尖刺毛刺，

>數據邊緣抖動，

>意外訊號反射。

以下哪些問題會影響 PCB設計 取決於許多因素, 例如板上使用的邏輯電路的特性, 電路板的設計, the mode of crosstalk (reverse or forward), 以及干擾線和被干擾線兩側的終止條件. 下麵提供的資訊可以幫助讀者加深對相聲的理解和研究, 從而减少串擾對設計的影響.

串擾的研究方法

為了最大限度地减少 PCB設計, 我們必須在電容電抗和電感電抗之間找到平衡, 並努力達到額定阻抗值, 因為PCB的可製造性要求傳輸線阻抗得到很好的控制. 電路板設計完成後, 組件, connectors, 電路板上的終止方法决定了哪種類型的串擾對電路效能有很大影響. 使用時域測量方法, by calculating the inflection point frequency and understanding the PCB crosstalk (Crosstalk-on-PCB) model, 它可以幫助設計者設定串擾分析的邊界範圍.

時域測量方法

為了量測和分析串擾，可以使用頻域科技觀察頻譜中時鐘的諧波分量與這些諧波頻率下的最大EMI之間的關係。 然而，數位信號邊緣的時域量測（從信號電平的10%上升到90%所需的時間）也是量測和分析串擾的一種手段，時域量測具有以下優點：數位信號邊緣速度或上升時間的變化直接反映了訊號中每個頻率分量的高。 囙此，由訊號邊緣定義的訊號速度（即上升時間）也有助於揭示串擾的機制。 上升時間可直接用於計算拐點頻率。 本文將使用上升時間測量方法來解釋和量測串擾。

膝關節頻率

為了確保數位系統能够可靠工作，設計者必須研究並驗證電路設計在拐點頻率以下的效能。 數位信號的頻域分析表明，高於拐點頻率的訊號將衰减，囙此不會對串擾產生實質性影響，而低於拐點頻率的訊號中包含的能量足以影響電路的操作。 拐點頻率通過以下公式計算：

Fknee=0.5/3色

PCB串擾模型

本節中給出的模型為研究不同形式的串擾提供了一個平臺，並闡明了兩條微帶線之間的互阻抗如何在 PCB板.

互阻抗沿兩條記錄道均勻分佈。 當數位門電路向串擾線發送上升沿時，會產生串擾，並沿軌跡傳播：

1、互感器Cm和互感器Lm將電壓耦合或“串擾”到相鄰的受干擾線路。

2、串擾電壓以窄脈衝的形式出現在干擾線上，其寬度等於干擾線上脈衝的上升時間。

3、在受干擾線路上，串擾脈衝一分為二，然後開始向兩個相反的方向傳播。 這將串擾分為兩部分：沿原始干擾脈衝傳播方向傳播的正向串擾和沿與信號源相反方向傳播的反向串擾。

串擾類型和耦合機制

根據上面討論的模型，下麵將介紹串擾的耦合機制，並討論正向和反向兩種類型的串擾。

電容耦合機制

電路中的互電容引起的干擾機理：

>當干擾線上的脈衝到達電容器時，窄脈衝將通過電容器耦合到干擾線上。

>耦合脈衝的幅度由互電容的大小决定。

>然後，耦合脈衝被分成兩個，並開始沿干涉線在兩個相反方向傳播。

電感或變壓器耦合機制

電路中的互感會引起以下干擾：

>在干擾線上傳播的脈衝將在電流尖峰出現的下一個位置充電。

>這種電流尖峰產生磁場，然後在受干擾線路上感應電流尖峰。

>變壓器將在受干擾線路上產生兩個極性相反的電壓尖峰：負尖峰正向傳播，正尖峰反向傳播。

反向串擾

由上述模型引起的電容和電感耦合串擾電壓將在受干擾線路的串擾位置產生相加效應。 由此產生的反向串擾包括以下特徵：

>反向串擾是相同極性的兩個脈衝的總和。

>由於串擾位置沿干擾脈衝的邊緣傳播，反向干擾在被干擾線的源端以低電平寬脈衝訊號的形式出現，並且其寬度與軌跡長度之間存在對應關係。

>反射串擾的幅度與干擾線的脈衝上升時間無關，但取決於互阻抗值。

正向串擾

需要重申的是，電容和電感耦合串擾電壓將累積在受干擾線路的串擾位置。 前向串擾包括以下特徵：

>正向串擾是兩個反向極性脈衝的總和。 由於極性相反，結果取決於電容和電感的相對值。

>前向串擾以窄尖峰的形式出現在受干擾線路的末端，其寬度等於干擾脈衝的上升時間。

>前向串擾取決於干擾脈衝的上升時間。 上升沿越快，振幅越高，寬度越窄。

>正向串擾的幅度還取決於對的長度：隨著串擾的位置沿干擾脈衝的邊緣傳播，受干擾線路上的正向串擾脈衝將獲得更多能量。

串擾特性

本節將使用幾個單層PCB量測示例來研究串擾的產生機制和上面介紹的幾種類型的串擾。

注：為了熟悉多層PCB及其接地層上的串擾問題和後果，請閱讀本文末尾的參考文獻或其他資源。

儀器和設定

為了在實驗室有效量測串擾，應使用量測頻寬為20 GHz的寬帶示波器，並且高品質脈衝發生器應輸出上升時間等於示波器上升時間的脈衝，以驅動被測電路。 同時，使用高品質電纜、終端電阻器和轉接器連接被測PCB。

80E04電子採樣模塊安裝在泰克8000B系列儀器中，是成功量測串擾的理想儀器組合。 80E04是一個雙通道採樣模塊，包括一個TDR階躍電壓發生器，它可以產生一個上升時間為17ps的250mv窄脈衝，並以50歐姆的源阻抗輸出。 測試儀只需要連接待測試的PCB。

正向串擾量測

如果只量測前向串擾，則需要終止所有記錄道以消除反射。 正向串擾應在端接良好的受干擾導線的末端量測。

如果互感大於電容耦合的串擾，則串擾脈衝應在干擾脈衝的上升沿為負，寬度等於干擾脈衝的上升時間。 圖中的儀器顯示了振幅為48.45 中壓的負脈衝（C4）。 干擾脈衝幅度為250 mV，串擾幅度接近50 mV，囙此干擾脈衝的快邊在受干擾線路上產生20%的串擾。

由於80E04的輸入階躍電壓在量測過程中具有非常快的邊緣，囙此獲得的串擾太大，無法表示實際邏輯電路中的驅動訊號。 例如，如果驅動訊號來自1.5 ns CMOS柵極，則生成的串擾脈衝更寬並且具有更小的幅度。 為了使量測反映這種情況，您可以使用儀器的Define Math函數在捕獲訊號後添加低通濾波器。 圖7中的M1波形（白色）給出了濾波後的量測結果。 應注意，M1在垂直方向上的靈敏度是未濾波波形的10倍。

雖然數學分析已證明，訊號捕獲後的低通濾波效果與連接到線路的干擾脈衝的物理濾波效果相同，但以下步驟更具說服力：

>量測由兩個上升沿（一個快一個慢）和相同幅度的干擾脈衝引起的串擾，

>然後通過低通濾波器將具有快速上升沿的干擾脈衝引起的串擾改變為具有緩慢上升沿的干擾脈衝引起的串擾，最後檢查結果。

>$波形（R2）是慢邊緣干擾脈衝，紅色波形（R3）是由其引起的串擾。

>綠色波形是快邊TDR脈衝（R1），白色波形（R4）是由其引起的串擾。

>藍色波形是濾波白色波形後通過减慢脈衝上升沿獲得的波形，它表示串擾後濾波的結果。 圖中所示的紅色和藍色串擾波形顯示在相同的電壓標度上。

當單次量測反向串擾時，需要用50歐姆電阻器終止干擾線和受干擾線，以消除反射。 應在受干擾線的左端進行量測。 反射脈衝的幅度非常低，寬度是線路長度的兩倍，因為軌跡末端的串擾必須傳輸回軌跡的源端。 在反向串擾量測中，快邊干擾脈衝產生的串擾約為？？ mV，相當於干擾脈衝幅度的4%。 反向串擾的大小與干擾脈衝的上升時間無關。 以下兩個波形是濾波後慢邊脈衝產生的串擾和快邊脈衝產生的串擾。 其振幅均為6.5毫伏。 軌跡長度和干擾脈衝上升時間之間的差异使慢邊脈衝產生的反向串擾幅度更小。

由於此時干擾脈衝的上升時間長於記錄道的線長度，囙此當脈衝沿記錄道方向傳輸回記錄道的源端時，脈衝邊緣未達到振幅的峰值。 圖11顯示了當200 ps上升時間發生器（DG2040）和80E04採樣模塊的17 ps發生器的輸出用作干擾脈衝時獲得的串擾量測結果。 圖中所示的3種串擾波形均使用5 mV/div的電壓標度。

其中，白色波形是由上升時間為17 ps的干擾脈衝在濾波（後濾波）到200 ps的上升時間後產生的串擾。這些量測已經證實，除非干擾脈衝的上升時間超過軌跡的長度，否則上升時間不會影響反向串擾。 如果干擾脈衝的上升時間超過軌跡的長度，則產生的反向串擾幅度較小，因為在這種情況下，即使在脈衝邊緣穿過整個軌跡之後，脈衝邊緣也無法達到峰值幅度。