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【有料干货】串扰测试方案(上篇)


  来源: 中星联华科技 时间:2019-11-01 编辑:仪商F
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近年来数字电路工作速度的提高,PCB、连接器、背板上信号的传输速率也越来越高,其中串行数据通信在高速数据传输中占据主导地位。目前USB3.1的信号速率已经达到10Gb/s,HDMI2.1的信号速率达到12Gb/s, PCI-E Gen4的信号速率能够支持16Gb/s甚至更高速率的PCI-E Gen5即将发布,高速FPGA的串行高速接口速率则从8Gbps猛增到28Gbps。

随着电子工程师不断把设计推向技术与工艺的极限,电子产品集成度增加,使得电路板尺寸不断变小,布线密度越来越大,与此同时信号频率也在不断提升,使得串扰问题日益突出。串扰现象是高速、高密度电路设计中需要重点考虑的问题,串扰分析已经成为系统性能测试中不可或缺的测试项目。

中星联华科技(北京)有限公司基于多年来对信号质量的研究和测试仪器设计的经验,针对目前在高速背板、连接器等高速传输链路中遇到的串扰问题,开发出集串扰信号产生、测试分析等功能的测试系统,为模拟和测试被测件在真实环境中的运行状态提供了有力保障。

1.什么是串扰?

串扰是目前信号完整性中最常见的研究现象之一,高度密集的板间走线和间距狭小的走线都会导致信号间串扰。在下图所示的典型高速背板传输链路中,串扰现象尤为严重,对系统性能的影响也不容忽视,往往会导致板卡工作不稳定甚至无法正常工作

图1型的高速背板传输链路示意图

根据电路叠加原理,在无源电路中当其他的传输线有信号在传输时,串扰引起的噪声将会叠加在受害线上,信号受其影响会产生波形失真、畸变等。当串扰噪声叠加在被干扰信号的高低电平上时,会产生幅度噪声或影响眼图高度。下图很直观的表现出串扰对眼图的影响。

(a)发送端眼图      (b)接收端经过干扰眼图

当串扰噪声叠加在被干扰信号的跳变边沿位置时会产生边沿的抖动,进而影响上升下降时间或者是眼图宽度。由于干扰源的不确定性,串扰噪声一般会同时影响被干扰信号的上升下降时间和幅度。
边沿受到干扰的信号

串扰耦合方式通常可分为两种,即公共阻抗耦合和电磁场耦合。公共阻抗耦合是因为不同信号共用公共返回路径引起的,这种耦合通常在低频时起决定作用。电磁场耦合主要发生在高频时,又可分为电感性耦合(互感)与电容性耦合(互容)。通常所说的串扰是指电磁场耦合。

电磁场耦合属于近场耦合,其机理是在高频时PCB上的任何两个器件(诸如芯片、PCB板、连接器、芯片封装和连接器电缆等器件或导线)之间存在互容和互感,在多导体系统中,导体间通过电场和磁场发生耦合。这种耦合会把信号的一部分能量传递到邻近的导体上,从而形成干扰噪声。当一个器件或一条信号线上的信号发生变化时,其变化会通过互容和互感耦合到其他器件或信号线,即串扰耦合。

当干扰线上有信号传输时,由于信号边沿电压的变化,在信号边沿附近的区域,干扰线上的分布电容会感应出时变的电场,而受害线处于这个电场里面,所以变化的电场会在受害线上产生感应电流。可以把信号的边沿看成是沿干扰线移动的电流源,在它移动的过程中,通过电容耦合不断地在受害线上产生电流噪声。

互容耦合原理

当信号在干扰线上传播时,由于信号电流的变化,在信号跃变的附近区域,通过分布电感的作用将产生时变的磁场,变化的磁场在受害线上将感应出噪声电压,进而形成感性的耦合电流,并分别向近端和远端传播。

与容性耦合电流不一样的是,感性耦合电流的方向与干扰线上信号传播的方向是反向的,向近端传输时,电流回路是从信号路径到返回路径,而向远端传输时,电流回路则是从返回路径到信号路径。

对于近端感性耦合串扰,其特征与近端容性耦合串扰非常相似,也是从零开始迅速增加,当传输长度大于等于饱和长度以后,将稳定在一个固定值,持续时间是两倍的传输延迟。因为流向近端的感性耦合电流与容性耦合电流同向,所以两者将叠加在一起。


互感耦合原理

关键词:串扰 测试方案    浏览量:772

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