如何从电磁耦合中拯救芯片

对支持高速计算、通信、物联网(IoT)等多种功能的电子产品的需求日益增长，是设计具有较小尺寸的超高速芯片的推动力。

什么是电磁耦合?

电磁波由相互垂直的电磁波和电磁波组成。电磁干扰是由于电和磁之间的密切关系而产生的。每个因素对频率、电压、电流和距离的反应不同，但随着电子系统设计的最新进展，电磁场(E-field)因素主要负责干扰。当一个电路元件(如晶体管)产生的电场因子与另一个电路元件相互作用时，就会发生电磁耦合。这种相互作用导致两个元件之间的能量传递，从而影响集成电路的工作。

电磁干扰也可能发生，因为所有的电导体在高频下都充当天线。随着晶体管开关速度的提高，电磁耦合的概率增大，晶体管成为电磁噪声的主要来源。辐射信号应低于可接受的水平，以确保芯片的功能和性能。

电磁干扰耦合的原因

要确定电磁干扰耦合的原因，最重要的是要了解它是如何从源到接收器耦合的。电磁干扰有四种耦合方式:传导、辐射、电容和感应。

传导

当EMI在连接源和接收器的设计中沿着导线或电气路线发射时，它被认为是导电耦合。配电线路上经常发生导电耦合。根据连接技术的不同，导电耦合可以是共模或差模传导。其中一个例子是，在家里打开搅拌机或其他电器后，出现电视干扰，这是因为两者连接在同一条电线上。对传导耦合最有效的解决方案是屏蔽导线并使用滤波器。

辐射

通过辐射产生的电磁干扰不需要在源和接收器之间建立任何物理连接。辐射耦合通常发生在更高的频率，当不需要的电磁信号从高频工作的电路辐射出来并被附近的不同芯片或电路接收时。例如，当你在飞机上起飞或降落时，你被要求关闭你的电子设备，因为电子设备的电磁辐射会干扰飞机的电子设备和系统。辐射耦合可以破坏正常的功能或引起故障。

电容耦合

电场元件负责电容耦合，而磁力元件负责电感耦合。当两个导体彼此靠得很近时，就会发生电容耦合。源电压的变化电容性地将电荷转移到受害导体。这主要发生在芯片上紧密布线的信号上，其中的电子电路被紧密地包裹着。

电感耦合

电感耦合取决于源在受害导体周围产生的磁场。磁场的变化导致在附近的受害导体中产生不必要的电流。当两个电路元件彼此非常接近但没有直接连接时，就会发生电感耦合。

如何减轻电磁干扰耦合的影响

在过去的几年里，电子技术的快速发展使设计师们创造出了紧凑、高效、高速的芯片设计。这给芯片设计者带来了重大挑战，其中之一就是EMI问题。电磁干扰直接影响芯片的性能和可靠性。电磁干扰的电磁场因子主要负责电路之间不需要信号的耦合。

为了减轻芯片设计中电磁耦合的影响，设计人员使用多种技术。屏蔽是在射频集成电路等高速芯片中避免电磁干扰的一种流行技术。屏蔽层吸收或阻挡电磁场，防止不需要的信号与敏感电路元件(如晶体管、天线或其他有源设备)相互作用。屏蔽可以通过多种方式实现，包括使用由导电材料制成的外壳或在电路板内使用导电材料作为层。

另一种缓解电磁耦合的技术是使用预定义的高速布局技术和先进的仿真方法。由于芯片以非常高的速度设计并使用高数据速率信号，这些技术不足以确保EMI兼容性(EMC)。利用先进的仿真方法预测集成电路的电磁耦合行为具有重要意义。Ansys提供了一套完整的电磁仿真工具，可以合成电感器并预测射频集成电路和信号的EMI行为。这些工具的自动化和建模功能使设计人员能够以更快的数据速率和更高的保真度进行设计。

电磁耦合是先进高速芯片设计中的一个重要问题，它会影响电子电路的性能和可靠性。遵循布局指南并使用屏蔽、过滤器和其他设备总是很重要的，但只有通过使用模拟工具才能预测其在现实世界中的行为。Ansys提供一流的技术来分析EMI，以生产高质量的芯片，满足其预期应用的性能和可靠性要求。

通过了解电磁耦合的原理并实施有效的技术来减轻其影响，芯片设计人员可以生产出能够可靠运行并达到预期性能水平的电路。

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