解析嵌入式系統(tǒng)串?dāng)_問題

引言

在嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，串?dāng)_是硬件工程師必須面對(duì)的問題。特別是在高速數(shù)字電路中，由于信號(hào)沿時(shí)間短、布線密度大、信號(hào)完整性差，串?dāng)_的問題也就更為突出。設(shè)計(jì)者必須了解串?dāng)_產(chǎn)生的原理，并且在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用恰當(dāng)?shù)姆椒?，使串?dāng)_產(chǎn)生的負(fù)面影響降到最小。

1 串?dāng)_理論分析

串?dāng)_主要源自兩個(gè)相鄰導(dǎo)體之間所形成的互感與互容。在高速數(shù)字電路中，互感通常比互容的問題更嚴(yán)重。

1.1 互容

一個(gè)電路產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)會(huì)影響第二個(gè)電路，這種相互影響的系數(shù)稱為它們的互容。

式中，CM為互容，ΔV為驅(qū)動(dòng)波形的階躍幅度，TR是驅(qū)動(dòng)波形的上升時(shí)間，RB是接收電路的接地阻抗。

由式1可知，互容串?dāng)_電壓與CM、ΔV/TR 、成正比，因此，減小互容串?dāng)_電壓的方法有：
　　
② 減小ΔV/TR。在確保信號(hào)時(shí)序的前提下，盡可能選擇信號(hào)沿較緩的器件。

③ 減小RB。減小被干擾電路接地阻抗，對(duì)被干擾電路進(jìn)行末端端接，為被干擾電路并接去耦電容。

1.2 互感

兩個(gè)信號(hào)回路相互靠近時(shí)，一個(gè)信號(hào)回路的磁場(chǎng)變化將影響另一個(gè)信號(hào)回路，這種影響就是互感。互感的大小取決于信號(hào)回路的自感與兩個(gè)信號(hào)回路耦合的程度。

式中，LM為互感，ΔV為驅(qū)動(dòng)波形的階躍幅度，TR是驅(qū)動(dòng)波形的上升時(shí)間，RA是驅(qū)動(dòng)電路的源端阻抗。

由式(2)可知，互感串?dāng)_電壓與LM、ΔV/TR 成正比，與RA成反比。因此，減小互感串?dāng)_電壓有如下方法。

（1） 減小LM

① 增大信號(hào)走線間距（因?yàn)長(zhǎng)M隨著間距平方的增加而下降，關(guān)鍵信號(hào)可采用3W原則）。

② 為信號(hào)提供完整的參考平面。在低速電路中，電流沿著電阻最小路徑前進(jìn)，而高速信號(hào)沿著電感最小路徑前進(jìn)。電感最小的返回路徑就緊貼在一個(gè)信號(hào)導(dǎo)體下面，它使輸出電流路徑與返回電流路徑之間的總回路面積最小，從而使輸出電流路徑與返回電流路徑的干擾磁場(chǎng)相互抵消。

③ 減小信號(hào)到參考平面的距離，從而減小環(huán)路面積，達(dá)到減小LM的目的。

④ 盡可能地減小相鄰信號(hào)間的平行長(zhǎng)度。平行長(zhǎng)度越短，則總的LM越小。

⑤ 無參考平面隔離的相鄰信號(hào)層走線方向應(yīng)該垂直，可減小磁場(chǎng)耦合程度。

⑥ 對(duì)串?dāng)_較敏感的信號(hào)線盡量布在內(nèi)層，以減小磁場(chǎng)耦合程度。

（2） 減小ΔV/TR

在確保信號(hào)時(shí)序的前提下，盡可能選擇信號(hào)沿較緩的器件。

（3） 增大RA

在干擾電路源端串接電阻，減小電流變化斜率，同時(shí)要兼顧與傳輸線阻抗匹配，避免信號(hào)反射。

1.3 近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_

圖1 兩條傳輸線的耦合

如圖1所示，假設(shè)位于A點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器是干擾源，而位于D點(diǎn)的接受器為被干擾對(duì)象，那么驅(qū)動(dòng)器A所在的傳輸線被稱為“干擾源網(wǎng)絡(luò)”或“侵害網(wǎng)絡(luò)(Agreessor)”，相應(yīng)的接收器D所在的傳輸線網(wǎng)絡(luò)被稱為“靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)”或“受害網(wǎng)絡(luò)”。靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)靠近干擾源一端的串?dāng)_稱為“近端串?dāng)_”(也稱后向串?dāng)_)，而遠(yuǎn)離干擾源一端的串?dāng)_稱為“遠(yuǎn)端串?dāng)_”(也稱前向串?dāng)_)。根據(jù)產(chǎn)生的原因不同，可將串?dāng)_分為容性耦合串?dāng)_和感性耦合串?dāng)_兩類。

受侵害線上近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_噪聲的波形可以通過圖2得出。當(dāng)一個(gè)數(shù)字脈沖上升沿進(jìn)入傳輸線，它將不斷地在受侵害線上感應(yīng)出噪聲，一部分串?dāng)_噪聲將傳向近端，另一部分將傳向遠(yuǎn)端。遠(yuǎn)端串?dāng)_脈沖與侵害線上的信號(hào)經(jīng)過時(shí)間TD(信號(hào)在傳輸線上的延遲時(shí)間)后同步到達(dá)終端。近端串?dāng)_脈沖將起始于侵害線上信號(hào)變化沿出現(xiàn)的時(shí)刻，而侵害信號(hào)到達(dá)終端前產(chǎn)生的最后一部分近端串?dāng)_信號(hào)將在t=2TD時(shí)刻才到達(dá)近端，這是因?yàn)檫@部分信號(hào)要經(jīng)過整條傳輸線才能被傳回近端。所以，近端串?dāng)_起始于t=0，并且持續(xù)2TD的時(shí)間。遠(yuǎn)端串?dāng)_起始于t=TD，持續(xù)時(shí)間為數(shù)字信號(hào)的上升或者下降時(shí)間。

圖2 串?dāng)_噪聲示意圖

近端和遠(yuǎn)端傳播的容性耦合電流都是正向的。具體的容性耦合如圖3所示，圖中的TP是干擾信號(hào)在傳輸線上的延遲時(shí)間，Tr是干擾信號(hào)的上升時(shí)間。

流向近端的感性耦合電流與近端容性耦合電流同向，流向遠(yuǎn)端的感性耦合電流與遠(yuǎn)端容性耦合電流反向。具體的感性耦合如圖4所示。

圖3 容性耦合的近端、遠(yuǎn)端串?dāng)_波形