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1.串擾的形成過程

根據(jù)電磁理論，串擾(Crosstalk)是兩條信號線之間的電磁耦合，是由信號線之間的互容和互感引起的線上噪聲。

如下圖，兩根平行線平行放在一起，其中一根線中一端有信號源VS及內(nèi)阻Z0G，另一端有負載阻抗ZLG，回路通過地構(gòu)成閉環(huán)；另一導線中僅有阻抗Z0R和ZLR，也是單線對地結(jié)構(gòu)。兩個回路使用公共地。有信號源的導線稱為動態(tài)線或攻擊線，被干擾的導線稱為靜態(tài)線或受害線。

串擾的形成過程是：當驅(qū)動信號(1)通過發(fā)射線時，由于發(fā)射線和接收線間的寄生電容，會在接收線上產(chǎn)生分別向兩端走向的耦合電流(3)；同時，驅(qū)動信號通過發(fā)射線時會在其周圍產(chǎn)生一個變化的磁場，這個磁場與接收線相交，并在接收線中感應(yīng)出一個與驅(qū)動信號相反走向的耦合電流(2)。干擾電流(2)和(3)就是驅(qū)動信號從發(fā)射線耦合到接收線上的串擾信號。

根據(jù)引起的原因不同，串擾分為容性耦合串擾和感性耦合串擾。容性耦合串擾是由相互間的耦合電容而產(chǎn)生的耦合電流(如上圖中干擾信號(3))，又叫電場耦合；感性耦合串擾是由相互間的耦合電感而產(chǎn)生的耦合電流(如上圖中干擾電流(2))，又叫磁場耦合。通常所說的串擾是指容性耦合串擾和感性耦合串擾的總和。

根據(jù)串擾出現(xiàn)的位置，串擾又分為近端串擾和遠端串擾。如上圖，近端串擾是驅(qū)動信號(1)在接收線近端產(chǎn)生的干擾信號，遠端串擾則是驅(qū)動信號(1)在接收線遠端產(chǎn)生的干擾信號。

2.容性耦合串擾

容性耦合是動態(tài)線及靜態(tài)線之間存在的分布電容所引起的，下圖顯示了動態(tài)線(1)及靜態(tài)線(2)之間的這種互容關(guān)系。

靜態(tài)線上的耦合電流分別沿兩個方向傳播，一半向前流動，一半向后流動。以單位長度的分布電容模型進行容性耦合噪聲分析，VS表示信號電壓，Cm表示信號上升邊空間內(nèi)耦合電容的總和。靜態(tài)線上的瞬時容性耦合電流Ic為：

用CmL表示單位長度△x內(nèi)的耦合電容，RT表示上升邊時間，v表示信號傳輸速度，那么總的耦合電容Cm可以表示為：

瞬時容性耦合電流IC為：

從上式可以看出，動態(tài)線上的信號電壓越大，瞬時耦合噪聲就越大；導線間距越小，耦合電容越大，瞬時耦合噪聲越大；信號的傳輸速度越快，耦合電流噪聲越大。

總的容性耦合電流在靜態(tài)線上會向兩個方向流動，方向相反，大小相等。其中后向流動的耦合電流以一定的速度流回近端，靜態(tài)線上的近端可以感受到一個恒定的脈沖信號，脈沖寬度被擴散為信號傳播時間(TD)的2倍，因此，后向容性耦合噪聲電流ICN為：

前向流動的耦合噪聲電流速度與動態(tài)線上的信號傳輸速度相同，當信號到達遠端時，若存在串聯(lián)端接電阻器，前向容性耦合電流將會在端接電阻器上產(chǎn)生一個正向的壓降，從而形成一個很短的脈沖噪聲。該噪聲的時間寬度約等于動態(tài)線上信號的上升邊(RT)長度。

可以通過仿真工具對容性耦合串擾噪聲進行仿真，下圖為仿真結(jié)果 。

圖中曲線(1)是動態(tài)線上驅(qū)動端的信號波形；曲線(2)是動態(tài)線負載端接收到的信號波形，接收到的波形上升邊由于傳輸線的損耗出現(xiàn)了一定程度的延長，這被稱為上升邊退化；曲線(3)是靜態(tài)線的遠端串擾，它是一個寬度為信號上升時間的正脈沖信號；曲線(4)是靜態(tài)線的近端串擾，它的寬度為兩倍的信號傳輸時間。

3.感性耦合串擾

感性耦合是動態(tài)線及靜態(tài)線之間的互感效應(yīng)所引起的。由于分布電感產(chǎn)生的互感效應(yīng)，靜態(tài)線受到動態(tài)線上變化的電流dl/dt的驅(qū)動產(chǎn)生串擾感應(yīng)電壓，從而形成后向的耦合電流。

傳輸線的分布電感模型如下圖所示，動態(tài)線(1)及靜態(tài)線(2)之間存在互感效應(yīng)。

用VL表示互感感應(yīng)電壓，Lm表示兩回路之間的回路互感，dl/dt表示動態(tài)線上的電流變化速率。當動態(tài)線上的電流大小發(fā)生變化時，靜態(tài)線上產(chǎn)生的瞬時電壓為：

近端的噪聲電壓恒定且寬度是信號傳輸時間的2倍，因此幅度為遠端電壓幅值的一半：

遠端的噪聲為窄負電壓脈沖，幅度為：

感性串擾噪聲的大小與傳輸線固有自感L0、信號電壓大小VS以及動態(tài)線與靜態(tài)線之間的互感LmL有關(guān)。

可以通過仿真工具對感性耦合串擾噪聲進行仿真，下圖為仿真結(jié)果 。

圖中曲線(1)是動態(tài)線上驅(qū)動端的信號波形；曲線(2)是動態(tài)線負載端接收到的信號波形；曲線(3)是靜態(tài)線的近端串擾噪聲，它的寬度為信號傳輸時間的兩倍；曲線(4)是靜態(tài)線的遠端串擾，它是一個寬度為信號上升時間的負脈沖信號。

4.總串擾

串擾是容性耦合和感性耦合共同作用所產(chǎn)生的，在高速PCB電路中兩種耦合也是同步產(chǎn)生的，所以受害線受到的總串擾是容性串擾和感性串擾的疊加，即容性耦合帶來的感應(yīng)電流效應(yīng)和感性耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓效應(yīng)的疊加。此時，把前向耦合電壓稱為遠端串擾電壓，記為VFEXT；后向耦合電壓稱為近端串擾電壓，記為VNEXT。假定傳輸線是均勻無耗傳輸線，并且傳輸線的耦合長度大于工作波長的長度，對于弱耦合傳輸線的等效電路可以用下圖的LC集總參數(shù)模型所表示。

近端串擾電壓VNEXT的峰值：

從上式可以看出，在高速電路中，由于|Cm|/Cs+Lm/Ls一直存在，所以VNEXT也是一直存在的，理論上都無法消除。但由于式中所有參數(shù)都相對很小，因此總體上VNEXT也很小。

遠端串擾電壓VFEXT的峰值：

從上式可以看出，理論上，如果|Cm|/Cs-Lm/Ls的值為0，即電磁耦合效應(yīng)達到平衡，那么VFEXT就不存在了，這種情況就是傳輸線處于一種均勻的介質(zhì)環(huán)境中，比如帶狀線。但實際中，由于生產(chǎn)誤差、玻璃纖維效應(yīng)等因素，|Cm|/Cs-Lm/Ls幾乎不可能等于0，所以，VFEXT是不能被完全消除的，只能盡可能被減小。

5.串擾的仿真分析

下面對影響串擾的各種因素進行仿真分析，力圖找到能夠有效減小串擾的措施。在仿真之前，首先構(gòu)建一個雙線系統(tǒng)，如下圖所示。

設(shè)置圖中A點的驅(qū)動源為干擾源(Aggressor)，位于D點的接收器為被干擾源對象(Victim)，A、B之間的線網(wǎng)為干擾源網(wǎng)絡(luò)(Aggressor Line)，C、D之間的線網(wǎng)為被干擾對象網(wǎng)絡(luò)。兩線的線寬均為W，兩線的線間距為P，兩線的平行長度為L，如不特殊說明，W、P和L的取值分別為W=8mils，P=8mils，L=2inch，兩條線均為頂層微帶線，PCB板的設(shè)置如下圖所示。

為考察C、D之間線網(wǎng)受串擾影響的程度，仿真中在A、B間加入時鐘信號，在C、D間加入固定的低電平直流信號。

5.1電流流向?qū)Υ當_的影響

在這里做了兩種情況的信號仿真，第一種是干擾源網(wǎng)絡(luò)與被干擾對象網(wǎng)絡(luò)的電流流向相同，第二種情況是干擾源網(wǎng)絡(luò)與被干擾對象網(wǎng)絡(luò)的電流流向相反(A、B網(wǎng)絡(luò)中的驅(qū)動源與負載互換位置，即位于B點的為驅(qū)動源，而為于A 點的為負載)，在兩種情況下，A、B間加入100MHz的時鐘信號，C、D間加入低電平直流信號。下圖為仿真結(jié)果。標記“1”和標記“2”所指的波形分別為遠端D點串擾波形和近端C點串擾波形。

由仿真結(jié)果可知，電流流向為反向時的串擾要大于電流流向相同時的串擾，雖然信號的頻率沒有改變，但是在電流反向時被干擾對象上的串擾卻加強了。

5.2兩線間距對串擾的影響

下面分析兩線間距Р對串擾大小的影響，為此進行了四種情況的仿真：分別是在線間距P=5mils，P=10mils，P=15mils和 P=20mils條件下進行的。信號頻率為100MHz，電流流向為同向。仿真波形如下圖所示。

由上圖可以看出隨著線間距的增大遠端串擾呈下降趨勢。

5.3兩線平行長度對串擾的影響

下面分析平行線長度L對串擾的影響，為此設(shè)計了四種仿真情況，即L分別取0.5inch、1inch、2inch和3inch。信號頻率為100MHz，電流流向為同向。

由仿真結(jié)果可見，遠端串擾電壓在隨著兩線平行長度的增大而增大。在實際高速電路中進行布線時，當布線空間較小或布線密度較大時，應(yīng)慎重對待信號之間的串擾問題，因為高頻信號線對與其相鄰的信號線的串擾可能會導致門級的誤觸發(fā)，而這樣的問題在電路調(diào)試的過程中是很難被輕易發(fā)現(xiàn)并妥善解決的。因此，在布線資源允許的條件下，應(yīng)盡可能地拉開線間距(差分線除外)并減小兩根或多根信號線的平行長度，必要時可采用固定最大平行長度推擠的布線方式(也稱 jog走線)，即對于平行長度很長的兩根信號線在布線時可以間斷式地將間距拉開，這樣既可以節(jié)省緊張的布線資源，又可以有效地抑制串擾，走線示意圖如下圖所示。

5.4信號頻率及上升時間對串擾的影響

干擾源信號的頻率變化會對被干擾對象上的串擾產(chǎn)生一定的影響，這里對干擾源網(wǎng)絡(luò)AB上的信號頻率分別取50MHz、100MHz、200MHz、400MHz頻率值時，對被干擾對象網(wǎng)絡(luò)上的串擾進行了仿真，仿真波形見下圖。

由仿真結(jié)果可看出，隨著干擾源信號頻率的增加，被干擾對象上的串擾幅度也隨之增加，當干擾源信號頻率大于100MHz時，峰值串擾增加得很快，而當頻率為400MHz時，被干擾對象上的串擾已經(jīng)達到了無法容忍的程度。這說明被干擾對象上的串擾電壓與干擾源信號的頻率取值成正比，當干擾源頻率大于100MHz 時，必須采取必要的措施來抑制串擾。同時，由圖d還可看到，當干擾源頻率為400MHz時，近端C點的串擾也增加得很快，這種情況下不但要像通常一樣關(guān)心遠端串擾，而且還需要謹慎處理容易被忽略的近端串擾。

由上面的仿真分析可看出，干擾源頻率的增加會導致串擾的增加，但這是否就意味著干擾源頻率較低時，它對被干擾對象的串擾影響就小?答案是否定的。因為存在著一項容易被忽視的對串擾影響極大的因素，它就是干擾源網(wǎng)絡(luò)中驅(qū)動源的上升/下降時間，下圖是對同一布線結(jié)構(gòu)所作的仿真，不同的是圖(a)和圖(b)中使用了兩個不同的干擾源。對于圖(a)中的串擾仿真，干擾源采用的驅(qū)動源是早期工藝的器件，其上升時間為5ns左右；而圖(b)中的串擾仿真是基于一個具有0.5ns左右上升時間的驅(qū)動源進行的。該仿真結(jié)果都是基于干擾源頻率f=25MHz 時作出的。

由此可見，在數(shù)字電路中，除了信號頻率對串擾有較大影響外，信號的上升/下降時間或邊沿變化(上升沿或下降沿)對串擾的影響更大，邊沿變化越快，串擾越大。由于在現(xiàn)代高速數(shù)字電路的設(shè)計中，具有快速上升時間的器件的應(yīng)用越來越廣泛，因此對于這類器件，即使信號頻率不高，在布線時也應(yīng)該認真對待，以防過大串擾的產(chǎn)生。

5.5地平面對串擾的影響

多層PCB板一般都包括若干個信號層和若干個電源層，多個信號層和電源層的疊放順序無特殊規(guī)定，但通常是通過疊放順序來構(gòu)成標準的微帶傳輸線和帶狀傳輸線。對于微帶傳輸線和帶狀傳輸線來說，與之相鄰的一般都有一個電源平面，相應(yīng)信號層和電源層之間是用電介質(zhì)填充的。這個電介質(zhì)層的厚度是影響傳輸線特性阻抗的重要因素，當它變厚時，傳輸線特性阻抗變大，當它變薄時，傳輸線特性阻抗變小。實際上，電介質(zhì)層的厚度對串擾的影響也十分顯著。下表為仿真結(jié)果。

由仿真結(jié)果可見，傳輸線與地平面的距離，即傳輸線與地平面之間的電介質(zhì)層的厚度對串擾的影響很大，對于同一布線結(jié)構(gòu)，當電介質(zhì)層的厚度增大一倍時，串擾明顯加大了，反之，當電介質(zhì)層厚度減小時，串擾明顯減小。另外還可以看出，對于同樣的電介質(zhì)層厚度，帶狀傳輸線的串擾要小于微帶傳輸線的串擾，由此可知，地平面對不同結(jié)構(gòu)的傳輸線的影響也是不同的。因此在高速電路布線時，如帶狀傳輸線的阻抗控制能夠滿足要求，那么使用帶狀傳輸線可以比使用微帶傳輸線獲得更好的串擾抑制效果。