電感耦合雜訊和電阻耦合雜訊：信號和電源完整性教程
電感耦合雜訊和電阻耦合雜訊：信號和電源完整性教程
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| 圖6.測量受害者跡線上的電感耦合雜訊 ，與侵略者 信號相鄰，沒有間隙，由間隙隔開。 在被間隙隔開的受害者走線上，電感耦合雜訊降低了 約40%。 這是一個很小的影響。 |
以下內容摘自 Eric Bogatin教授在《信號完整性雜誌》2023 年電子書《分裂地面的案例》中的文章。經《信號完整性雜誌》許可轉載。
本節繼續討論低頻返回電流。
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電感耦合雜訊
在平面中，在低於約10 kHz的頻率下，返回電流不會在信號路徑動，而是會在返回平面中擴散。高於10 kHz時，返回電流位於信號路徑下方。
當我們有兩個相鄰的信號路徑位於一個寬闊的連續平面上時，它們將在高頻下顯示電感串擾。即使返回電流重疊最小，兩個信號返回路徑之間仍然存在環路互感。這種感性雜訊由侵略者信號返回路徑中不斷變化的電流dI/dt驅動，在較低頻率下會變小。
具有瞬態、短上升時間電流邊沿的侵略者信號將在相鄰受害線上產生雜訊特徵，並帶有侵略者電流的導數。
感性雜訊只會與開關電流邊沿同步。
這就是為什麼我們將這種電感產生的噪聲稱為「開關雜訊」，因為它僅在信號切換轉換電平時才會發生。隨著電流變化的下降，斜率較低，電感串擾下降，直到低於測量閾值。
此行為已在一個簡單的電路板中演示。
在兩層板中，我們構建了六條平行的、相同的微帶走線。
一個是侵略者。它的遠端被短路到地面。120 mA峰峰值電流的2 kHz方波沿侵略者向下傳輸。上升時間約為9 nsec，但電流在其餘時間處於恆定值。
在侵略者的兩側對稱地有兩個受害者的痕跡。
在侵略者和其中一條受害者線之間，返回飛機上的一個間隙被切斷。
這將返回電流與侵略者隔離開來。它們不受一條受害者線的限制，在另一條受害者軌跡下被消除流動。
我們預計相鄰受害走線上的開關雜訊僅在上升時間的9 nsec期間持續。
該週期的其餘時間應顯示無開關雜訊。
兩個受害走線上測得的開關雜訊顯示了返回層間隙的影響。
圖6顯示了兩種配置的測量設置，以及兩個受害走線上測得的電感耦合串擾。
我們將開關雜訊的特徵視為電流邊沿的導數。
根據測得的峰值串擾（在本例中為5 mV量級）、上升時間和電流峰值，我們可以估計侵略者和受害者之間的環路互感。
在沒有間隙的情況下，環路互感約為0.4 nH。在間隙的另一側，它被降低到約0.25 nH。
間隙重新分配了返回電流，並確實降低了間隙另一側受害者跡線的環路互感。
但這是少量的。
低頻電阻耦合串擾
在低頻時，當返回電流分散時，由於返回層中的電阻，它們將在返回層中產生壓降分佈。
例如，返回路徑中的典型電阻量級為 1 mohm，電流量級為 100 mA，例如，這是返回平面的一個區域與另一個區域之間的壓降，大約為 100 uohms。
由於低頻（平面上的直流電流）引起的電壓降將表現為受害者路徑上的信號與本地返回平面之間的電壓差。它會以低頻顯示並持續到 DC。
但是，電阻耦合雜訊的幅度可能比電感耦合雜訊低幾個數量級。
如果侵略者和受害者跡線之間的返回平面存在平行間隙，則對感應串擾的影響將很小。
然而，並聯間隙將防止來自侵略者返回電流的直流電流在受害者走線下方流動，並消除已經很小的電阻耦合串擾。
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| 圖7. 受害者跡線上測得的電壓雜訊，標度為20 uV/div。一次採集中的 原始測量顯示了 示波器放大器雜訊，250次採集 平均后，示波器放大器雜訊 會降低。請注意， 方波 邊緣發生的開關雜訊在此時基刻度上僅可見。 |
電阻串擾可以在電流恆定的方波部分測量。
圖7顯示了在整個電流方波期間，受害者走線上的電壓測量值相同，它與侵略者信號之間沒有間隙，但解析度的電壓標度要高得多。
這是一個非常困難的測量，因為電阻耦合串擾非常小。
在沒有平均的情況下，串擾小於Teledyne LeCroy WavePro HD的100 uV rms放大器雜訊，12位示波器。
為了減少隨機雜訊，我們必須對連續採集進行平均，用函數發生器的方波觸發示波器。
隨機雜訊隨平均值數的平方根而減小，但與函數發生器同步的串擾保持不變。
我們看到受害者走線上電阻耦合雜訊的直流特徵非常清晰。其峰峰值約為120 uV。
約20 uV的小失調是示波器放大器的直流失調。
對於120 mA的峰峰值電流，這種120 uV的阻耦合雜訊對應於接地層中約120 uV/120 mA = 1 mohm電阻的耦合電阻，或該板接地層約2平方的電阻。
這種120 uV的阻性雜訊是由於兩個導體的返回電流重疊，相距約1英寸，侵略電流為120 mA，通過1 mohm的重疊平面電阻。這是我們希望用分離接地層消除的串擾雜訊。
