【導(dǎo)讀】本文介紹了優(yōu)化信號(hào)布線以顯著減少串?dāng)_的方法：采用微帶線收發(fā)交叉布線和帶狀線非交叉布線方案可以最大限度地減少串?dāng)_。要實(shí)現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)速率，PCB設(shè)計(jì)必須優(yōu)化信號(hào)布線，以確保卓越的信號(hào)質(zhì)量。這些你知道嗎？
如今，各種便攜式計(jì)算設(shè)備都應(yīng)用了密集的印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)，并使用了多個(gè)高速數(shù)字通信協(xié)議，例如 PCIe、USB 和 SATA，這些高速數(shù)字協(xié)議支持高達(dá) Gb 的數(shù)據(jù)吞吐速率并具有數(shù)百毫伏的差分幅度。設(shè)計(jì)人員必須小心的規(guī)劃 PCB 的高速串行信號(hào)走線，以便盡可能減少線對(duì)間串?dāng)_，防止信道傳輸對(duì)數(shù)據(jù)造成破壞。
入侵(aggressor)信號(hào)與受害(victim)信號(hào)出現(xiàn)能量耦合時(shí)會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_，表現(xiàn)為電場(chǎng)或磁場(chǎng)干擾。電場(chǎng)通過(guò)信號(hào)間的互電容耦合，磁場(chǎng)則通過(guò)互感耦合。
方程式（1）和（2）分別是入侵信號(hào)對(duì)受害信號(hào)的感應(yīng)電壓和電流計(jì)算公式，方程式（3）和（4）分別是入侵信號(hào)和受害信號(hào)之間的互電容和互電感計(jì)算公式。
如方程式（1）、（2）、（3）和（4）所示，距離增加時(shí)，受害信號(hào)和入侵信號(hào)之間的電感和電容耦合降低。然而，由于必須滿足便攜計(jì)算設(shè)備設(shè)計(jì)緊湊的要求，PCB 的尺寸有限，增加線間空隙的難度很大。
微帶線收發(fā)交叉布線和帶狀線收發(fā)非交叉布線的方法可緩解串?dāng)_或耦合問(wèn)題。
當(dāng)遠(yuǎn)端串?dāng)_（FEXT）遠(yuǎn)大于近端串?dāng)_（NEXT）時(shí)適用交叉模式。相反，當(dāng)近端串?dāng)_遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端串?dāng)_時(shí)適用非交叉布線。近端串?dāng)_表示受害網(wǎng)絡(luò)鄰近入侵信號(hào)發(fā)射機(jī)而造成的串?dāng)_，遠(yuǎn)端串?dāng)_表示受害網(wǎng)絡(luò)鄰近入侵信號(hào)接收機(jī)而造成的串?dāng)_。通過(guò)分析入侵信號(hào)和受害信號(hào)這兩個(gè)緊密耦合信號(hào)的 S 參數(shù)與瞬態(tài)響應(yīng)，我們可以對(duì)比微帶線和帶狀線的遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_。
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II. 仿真
圖3 和圖4 分別是 ADS 中的 S 參數(shù)和瞬態(tài)分析仿真模型。圖3 中，100Ω差分阻抗和3 英寸長(zhǎng)的受害信號(hào)和入侵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)線對(duì)的單模 S 參數(shù)通過(guò)數(shù)學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘帜Ｊ?。端? 和端口2 分別表示入侵信號(hào)對(duì)的輸入和輸出端口，而端口3 和端口4 分別表示受害網(wǎng)絡(luò)信號(hào)對(duì)的輸入和輸出端口。入侵信號(hào)和受害信號(hào)的線對(duì)間空隙設(shè)置為8 mil（1 倍布線寬度）。
圖 4 中，中間的傳輸線表示受害網(wǎng)絡(luò)信號(hào)對(duì)，傳輸線兩端均端接電阻。在受害網(wǎng)絡(luò)信號(hào)對(duì)上方和下方的傳輸線中分別注入具有 30ps 邊沿速率的方波，以作為入侵信號(hào)。
圖3：S 參數(shù)仿真模型(coupled pairs：耦合對(duì))
圖4：瞬態(tài)分析仿真模型(coupled pairs：耦合對(duì))
差分 S 參數(shù) Sdd31 表示近端串?dāng)_，Sdd41 表示遠(yuǎn)端串?dāng)_。Sdd31 定義為端口3（受害網(wǎng)絡(luò)信號(hào)輸入端）感應(yīng)電壓相對(duì)于端口1（入侵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)輸入端）入射電壓的增益比，而 Sdd41 定義為端口4（受害網(wǎng)絡(luò)信號(hào)輸出端）感應(yīng)電壓相對(duì)于端口1（入侵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)輸入端）入射電壓的增益比。
圖5 和圖6 是耦合微帶線和帶狀線對(duì)的仿真 S 參數(shù)。圖5 顯示，Sdd31 低于 Sdd41，表明使用微帶線進(jìn)行布線的 Sdd41 或遠(yuǎn)端串?dāng)_增益高于 Sdd31 或近端串?dāng)_；圖6 顯示，使用帶狀線進(jìn)行布線的 Sdd31 增益高于 Sdd41。
圖5：仿真微帶線 Sdd31和 Sdd41(FEXT：遠(yuǎn)端串?dāng)_；NEXT：近端串?dāng)_)
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圖6：仿真帶狀線 Sdd31和 Sdd41(FEXT：遠(yuǎn)端串?dāng)_；NEXT：近端串?dāng)_)
圖7 和 圖8 分別是耦合微帶線和帶狀線對(duì)的遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)仿真。如圖7 所示，當(dāng)入侵線信號(hào)瞬態(tài)上升或下降時(shí)，微帶線布線的受害線的遠(yuǎn)端感應(yīng)電壓峰值（0.3V）遠(yuǎn)大于近端峰值（0.05V）；圖8帶狀線仿真顯示，受害信號(hào)線的遠(yuǎn)端感應(yīng)電壓峰值與近端相當(dāng)（0.05V）。受害信號(hào)的誤觸發(fā)或感應(yīng)峰值會(huì)增加接收機(jī)集成電路（IC）噪聲裕量超限幾率，進(jìn)而增加比特誤差率（BER）。
圖7：微帶線遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_時(shí)域響應(yīng)仿真（Waveform：波形；Aggressor：入侵信號(hào)）
圖8：帶狀線遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_時(shí)域響應(yīng)仿真（Waveform：波形；Aggressor：入侵信號(hào)）
為了盡可能降低緊密耦合線對(duì)之間的串?dāng)_，微帶線采用收發(fā)交叉布線而帶狀線應(yīng)用收發(fā)非交叉布線是一個(gè)更好的選擇。
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III. 原型 PCB 測(cè)量
為了驗(yàn)證仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的關(guān)聯(lián)性，我們需要制作原型 PCB。圖9 和 圖10 是耦合微帶線和帶狀線的 S 參數(shù)測(cè)量結(jié)果。如圖9 所示，近端串?dāng)_低于遠(yuǎn)端串?dāng)_；圖10 中，遠(yuǎn)端串?dāng)_低于近端串?dāng)_。
圖9：微帶線的 S 參數(shù)測(cè)量結(jié)果
圖10：帶狀線的 S 參數(shù)測(cè)量結(jié)果
圖11 和 圖12 分別是耦合微帶線和帶狀線對(duì)的遠(yuǎn)端串?dāng)_和近端串?dāng)_時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量結(jié)果。圖11 中，入侵線的信號(hào)瞬態(tài)上升或下降時(shí)，受害線的遠(yuǎn)端感應(yīng)電壓峰值（0.3V）遠(yuǎn)大于近端峰值（0.1V）；圖12 中，受害線的遠(yuǎn)端感應(yīng)電壓峰值與近端峰值相當(dāng)（0.1V）。
IV. 總結(jié)
本文介紹了優(yōu)化信號(hào)布線以顯著減少串?dāng)_的方法。S 參數(shù)和時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)的分析結(jié)果顯示：采用微帶線收發(fā)交叉布線和帶狀線非交叉布線方案可以最大限度地減少串?dāng)_。要實(shí)現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)速率，PCB 設(shè)計(jì)必須優(yōu)化信號(hào)布線，以確保卓越的信號(hào)質(zhì)量。
