连载一:关于串扰,你想了解的都在这儿了~

1、串扰的概念

串扰是信号完整性中最基本的现象之一,尤其现在大多数电子产品越来越小,PCB板上走线密度越来越大,信号速率越来越高,串扰问题也越来越困扰SI工程师。

到底什么是串扰呢,我们从最直观的一个波形开始,看一看串扰到底会引起什么问题,下图黄色圈内的波形即为受到串扰影响的信号,在信号高电平或低电平产生毛刺,从而影响系统稳定性。

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我们知道,当信号沿传输线传播时,在信号路径和返回路径之间将产生电力线;围绕在信号路径和返回路径周围也会产生磁力线。这些电场和磁场还会延伸到周围的空间。这些延伸出去的场被称为边缘场,如果另外一根信号线刚好在边缘场范围之内的话,就会受到干扰,这样的一种耦合效应我们就称为串扰。

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考虑最简单的一种情况,就是两根信号线之间的串扰,这一对信号线其中一根是攻击网络,也叫动态网络 (Aggressor Line),另一根称之为受害网络,也叫静态网络(Victim Line),我们所要分析的就是动态网络的信号耦合到静态网络上后静态信号线上的噪声情况。

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下面是一个串扰的波形,红色为近端噪声(NEXT), 蓝色为远端噪声(FEXT),后面我们会对其进行具体分析。

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2、串扰耦合途径

把两根耦合线等效为电路模型,如下图所示,可以看出,串扰基本分为电容性耦合和电感性耦合,电容和电感都与串扰有关,但是还是要区别考虑,当返回路径是很宽的均匀平面时,容性耦合和感性耦合电流量大约相同,如果返回路径不是很宽的均匀平面,而是封装中的单个引线或者接插件中的单个引脚,感性耦合电流将远大于容性耦合电流,此时,噪声的行为主要由感性耦合电流决定。

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1. 电容性耦合

两根相邻的导线(或导体),如果靠的够近,当一条在线有电压信号的变化,会产生电场对另一线耦合出电流信号变化。由于这是电场的影响,所以可以透过寄生电容(互容, mutual capacitance)模型来解释。

对于传输线上任意一个小段,等效模型如下图,在信号跳变沿通过这一小段传输线的过程中,这个等效电容上的电压不断变化,因此就有电流流过电容,电流流入受害线后,由于受害线两个方向上的阻抗相同,因此电流同时向两个方向流动,大小相等,方向相反。

流动的电流在两个方向上都会产生电压,与攻击信号传播方向相同的电压称为前向电压,与攻击信号传播方向相反的电压称为后向电压。

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下面我们来具体分析电流情况,假设有一个边沿信号在动态线上传输,当信号变压在dV/dt或者dI/dt的区域,就会有耦合电流流到静态线上,导线上除此之外的任何地方,电压和电流都为常数,所以不会出现耦合噪声电流。只有在active line传递edge所到之处的瞬间(dI/dt arrive),才会在quiet line产生感应成份(coupled noise, V)

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上图红色为近端耦合电流,下面绿色为源端耦合电流传播及叠加示意图。

当动态线上升沿刚刚露出之后,随着动态信号前进,静态线上后向流动的容性耦合电流以恒定速度持续流回到近端。当前沿传输了一个饱和长度后(信号前沿的空间延伸的耦合长度称为饱和长度),互容耦合因有增有减而维持不变,静态线近端的电压幅度将达到一个稳定值。当动态线上的信号到达远端匹配电阻器后,就不再产生新的耦合噪声电流,但是静态线上还有后向电流陆续流向静态线的近端,这段额外时间等于时延TD。

如下图所示,近端的特征,就是容性耦合电流上升到一个恒定值并持续。从2×TD开始下降到0,其中上升边等于信号上升时间。

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在一半容性耦合噪声电流流回近端及信号沿动态线向前传输的同时,另一半容性耦合噪声电流也沿导线向前流动。静态线上的前向电流向远端移动的速度与动态线上的信号前沿向远端传播的速度相同,前向噪声电流就像是对动态信号做冲浪运动一样。在静态线上的每一步,一半噪声电流会叠加在已经存在的沿线噪声上。

在远端,直到信号前沿到达远端,才有电流出现。信号达到远端的同时,前向容性耦合电流也到达远端。

如果信号边沿是线性上升的,则容性耦合噪声电流为一个很短的矩形脉冲,持续时间等于信号的上升时间。

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2. 电感性耦合

感性耦合电流和容性耦合电流的行为是相似的。受动态线上dI/dt的驱动,经过互感在静态线上产生一个电压,进而形成感性耦合电流。

沿传输线传播时,动态线上变化的电流从信号路径流到返回路径。这一电流回路最终会在静态线上感应出电压并形成一个电流回路。静态线上电流以相反的方向环绕成感应电流回路。所以在动态线上的信号边沿附近,静态线上感应的电流回路方向是从返回路径流向信号路径。

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静态线上产生这种电流回路时,将沿两个方向等量传播。静态线上的感应电流回路中的一半电流流回后方的近端,另一半向前方的远端传播。

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电感耦合噪声近端以正电压(凸起)的形式出现,但远程以负电压(凹陷)的形式出现,且远程耦合噪声的凹陷深度和耦合长度与单位互感成正比。

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3、如何减小串扰

增大传输线之间的间距是减小串扰的最好方法,另外,还有一些其他的方法一起总结如下:

1. 增加信号路径之间的间距;

2. 用平面作返回路径;

3. 使耦合长度尽量短;

4. 在带状线层布线;

5。 采用低特性阻抗;

6。 使用低介电常数材料;

7. 在封装和连接件中不要共用返回引脚;

8。 使用两端和整条线上有短路过孔的防护布线。

本文转载自: 信号完整性之旅(作者:王彦武)
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