串扰与包地:
串扰与包地一直是业界非常关心的一个问题,围绕着它们的争论非常多,那到底是包地好
还是不包地好呢?高速先生尝试着从理论和实际测试上来给大家做一个分析。
为了验证它,高速先生做了以下几种情况,如图5-13所示。
图5-13中所有的走线都是9 mil的微带线;最左边casel走线的空气间距为9 mil;中间case2走线的空气间距为27 mil;最右侧case3走线的空气间距为27 mil,并且在中间加入一根地线。将信号线的两端端接,并给干扰线加上一个1 GHz的周期信号时,测量被干扰线上的串扰幅值(见表5-1),结果如图5-14所示。
可以很明显地看到,加入一根地线后,远端串扰没什么变化,但是近端串扰反而加大了,出现了类似于远端串扰的脉冲信号。
这是由于地线也是线,端接到地的点会产生一个反射系数为一1的反射。而我们平时分析串扰时,拓扑结构如图5-15所示。
注意图5-15中的数字:发送端为“1”,接收端为“2”,被干扰线近端为“3”,被干扰线远端为“4”。为了简化问题,我们将各端口处加上50 Ω端接,这样我们看到的就是不带反射的纯串扰。当在端口1输入一个上升沿时,各个端口处的信号如图5-16所示。
当地线是被干扰线时,拓扑结构如图5-17所示。
为了让仿真软件能识别,这里使用的是1Ω电阻接在被干扰线两端,相当于短路,反射系数约等于一1。同时,我们在地线的中间,加上一个观测点为“5”。这时的仿真结果如图5-18所示。
大家看一下近端与远端的串扰,好像没有了,可能有些人第一反应出来的问题是:走线接在地上,地的电平是0,在这根线上测量到的电平当然也是0,怎么可能会测到串扰呢?
其实在两端测不到串扰是因为在这个点的反射系数为-1,每时每刻的电压等于入射波加上反射波。这里入射波与反射波互为相反数,加起来之后这个点电压当然是0了。
在这两个点测量到的电平为0时,可以得出整条地线上的电平都是0吗?当然不行,我们已经注意到,接收端“2”处的电压是有周期性“毛刺”的。
这时,地线中间的观测点“5”就起作用了,如图5-19所示。
加入观测点“5”的信号后,就会发现在地线(被干扰线)上是不停有远端串扰来回反射。由于这个远端串扰的存在,地线变成了一个新的“干扰线”,而原本的干扰线变成了一个被干扰者。对于平时所用的包地设计来说,这根地线也会影响被地线隔开的另外一条信号线。
从S参数中,可以很明显地看出这样一个周期性的来回反射对静态线的影响,如图5-20
所示。
需要注意的是,通常我们在地线上可以观测到的信号为远端串扰所导致。而近端串扰由于持续时间长达两倍的传输延时,所以在传输线的各个位置,入射信号都会与反射信号抵消。
因为大部分带状线没有远端串扰的特性,所以在带状线之间插入一根地线,可以起到一定的减小串扰的作用。不过带状线包地的用处通常非常小,在能插入地线的情况下,这根地线所能减小的串扰率可能小于千分之一。
对于高速数字信号,并且是走微带线的情况下,插入一根地线可能对信号产生负面的影响。如果一定要加入地线,需要在走线上加人足够的地孔,或者地线足够宽,宽得像一个平面。