串扰机理详解

1、串扰机理详解串扰是指当信号在传输线上传播时,因电磁耦合对相邻的传输线 产生的不期望的电压噪声干扰.这种干扰是由于两条信号线间的耦合, 即信号线之间互感和互容耦合引起的. 容性耦合当干扰源产生的干 扰是以电压形式出现时,干扰源与信号电路之间就存在容性电场 耦合,这时干扰电压线电容耦合到信号电路,形成干扰源引发耦合 电流,而感性耦合当干扰源是以电流形式出现的,此电流所产生的 磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰那么产生耦合电压.由于自身的逻辑电平发生变化,对其他信号产生影响的信号线称为“攻击线 Aggressor,即干扰线.受到影响而导致自身逻辑电平发生异常 的信号连线我们称为“牺牲线 Victim

2、 ,即被干扰线.串扰噪声 从干扰对象上通过交叉耦合到被干扰对象上,表现为在一根信号线上 有信号通过时,在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的 信号.图5-1中如果位于A点的驱动源称为干扰源Aggressor,那么 位于D点的接收器称为被干扰对象Victim , A、B之间的线网称 为干扰源网络,C、D之间的线网称为被干扰对象网络；反之,如果 位于C点的驱动源称为干扰源,那么位于 B点的接收器称为被干扰对 象,C、D之间的线网称为干扰源网络,A、B之间的线网称为被干扰 对象网络.图5-1串扰中的干扰源与被干扰对象当干扰源状态变化时,会在被干扰对象上产生一串扰脉冲, 在高 速系统中,这种现

3、象很普遍.例如,当干扰源的信号有上升沿跳变从 0到1,而被干扰源保持为0电平,通过两者之间的交叉耦合电容, 在被干扰源上就会产生一个短时的脉冲干扰,如图5-2.a所示.类似的,在干扰源上有一个上升沿跳变从 0到1,而在被干扰源上有一个下降沿跳变从1到0,由于交叉耦合的影响,在被干扰源上 就会产生时延,如图5-2.b所示.图5-2 a短时脉冲干扰b时延通常,依赖于干扰源和被干扰源上信号的跳变, 被干扰线上产生 四种类型的影响：正的短时脉冲,负的短时脉冲,上升时延,下降时 延,如图5-3所示.丫工、Y匚,、Y J r的二二1 L 上 %, 5 yTL 2i ;：; J s i丫 匕 口 kJ&qu

4、ot; /UM：以trcdiEtiM及Wivr 场次hc Knii Dthj皿RB叫图5-3四种不同影响从干扰线耦合到被干扰线上的电压与被干扰线上的电压是完全 无关的.当信号沿着传输线传播时,在信号路径与返回路径之间存在电场 和磁场.这些场的分布不仅仅限于信号和返回路径之间的空间内,而是在周围空间延伸.我们把这些延伸出去的场称为边缘场.如果将两导线的间距加大,可看到边缘场的强度大大减弱.图 5-4所示说明了在信号路径与返回路径之间的边缘场以及另一个网络 分别在远处和近处时两者之间的相互作用情况./ 福i、一图5-4信号线附近的场分布由图可见,第2根线处在边缘场的附近时,就有过多的耦合和串 扰.

5、归根结底,边缘场是引起串扰的根本原因.减小串扰最重要的方 法就是使网络间的间距足够远,使其边缘场降低到可以接受的范围.在系统中的每两个网络之间,总会有边缘场产生的电感耦合和电 容耦合.我们把耦合电感和耦合电容分别叫做互感和互容.互感是引起串扰的两个重要因素之一, 互感系数Lm标志了一根 驱动传输线通过磁场对另外一根传输线产生感应电流的程度.从本质上来说,如果“受害Victim线和驱动线侵略线的距离足够接 近,以至于侵略线产生的磁场将受害线包围其中,那么在受侵略的传输线上将会产生感应电流,而这个通过磁场耦合产生的电流在电路模型 中就通过互感参数来表征.在互感 Lm的作用下,将根据驱动线上的 电流

6、变化率而在受害线上引起一定的噪声,噪声电压的大小与电流变换率成正比,通常可以由下式计算：Vl d1 drivernoise, Lm m dt由于感应噪声正比于信号的变化率,互感在高速数字电路的应用 中显得尤为重要.互容是引起串扰的另外一个重要因素,互容是两导体间简单的电 场耦合,这种耦合在电路模型中以互容的形式表现出来.互容Cm将产生一个与侵略线上电压变换率成正比的噪声电流到受害线：Ic dVdrivernoise,Cm m dt同样可以看到：感应噪声也是正比于信号的变化率,因此互容在 高速数字应用中也是非常重要的.需要说明的是,上式只是简易的近似公式用于阐述耦合噪声的机 理.完整的串扰表达式

7、将在后面给出.在一个系统中,如果传输线之间发生了严重的耦合,那么通常使 用的单根传输线模型就不再适合分析传输线的电气特征,在这种多导线系统中,我们必须考虑互感和互容来全面评估传输线的电气性能.等式5-3和5-4描述了反映寄生耦合效应影响传输线系统性能的典型 方法.电感矩阵和电容矩阵被通称为传输线矩阵.L11 L12 L L1NInductance matrixM OLN1lnn这里,Lnn表示线N的自感,Lmn表示线M和N之间的互感C11 C12 L C1NCapacitance matrixL21 L22C21MOCN1CNN在这里,Cnn是指传输线N上的寄生电容.它包括导线 N自身的 对地

8、电容及和其它传输线的互容之和.Cmn就是传输线N和传输线M 之间的互容.由上节讨论可知,对于两根耦合的传输线,电容C矩阵和电感L矩阵是简单的2X2矩阵.非对角线上的元素分别表示了互容和互感 的值.假设有两根50Q的传输线,具有相同的耦合分布.同时,在线 的两端接上等于其特性阻抗50Q的端接,这样可以消除反射带来的 各种影响.等效的电路模型如图 5-5所示.图5-5 一对紧耦合传输线和采用n段集总参数电路的等效电路 模型当信号沿着作用线传播时,在作用线和静止线间有互容和互感, 这是噪声电流从作用线流向静止线的唯一路径.而只在特定的区域, 即dV/dt或dI/dt ,耦合噪声才会流向静止线.在电压

9、和电流恒定的 区域,没有耦合噪声电流.如图5-6所示,信号的前沿近似为线性斜率,上升时间为RT,噪声近似与V/RT和I/RT成正比.图5-6从作用线流向静止线的耦合噪声只在电压或电流变化的区域在任一时刻,流过互容的总电流为:IcdV m dt其中,V为信号的电压；Cm为信号上升时间段内耦合的互容CmLx C , v RTmL其中,CmL为单位长度的互容；v是信号传播的速率；RT为信号 的上升时间同时,注入到静止线上的瞬时容性耦合电流总量为：I C , v RT C v V c mLrt mL从作用线流入静止线的容性耦合电流只在作用线上信号的边沿 处发生.但是,通过式5-7可知,耦合噪声电流总量

10、与上升时间 无关.而根据式5-5,上升时间越快,那么变化率 dV/dt越大,所 以可能认为容性耦合电流也越大.但是,上升时间越快,dV/dt的耦合线区域越短,并且用来耦合的电容就越小.因此,容性耦合电流 只与单位长度的互容有关.根据相同的分析,互感感应到静止线上的瞬时电压为：dIIV, L L,vRT L , v IL m dt mLrt mL其中,LmL为单位长度的互感；I为作用线上的信号电流同样可见,只在作用线上电压发生变化的地方, 才有感性耦合噪 声耦合到静止线上.静止线上产生电压噪声的值与信号的上升时间无 关,只取决于单位长度的互感.静止线上的耦合噪声有四个重要的特性：1 .瞬时耦合电

11、压噪声值和电流噪声值依赖于信号的强度.信号 强度越大,瞬时耦合噪声值就越大.2 .瞬时耦合电压噪声值和电流噪声值依赖于单位长度互容和单位长度互感为度量的单位长度耦合量.当导线间的间距减小,单位长度耦合增加,那么瞬时耦合噪声也会增加.3 .速率越快,瞬时耦合的总电流越大.这是由于速率越快,上 升时间的空间延展(spatial extent)就越长,在任一时刻发生耦合的 区域也越长.信号的速率越大,电流流经的耦合长度增加,静止线上 电流的密度保持不变.4 .信号的上升时间不会影响总的瞬时耦合噪声电流或电压.上 升时间越短,将会使单个互容和互感元件的耦合噪声增加. 并且上升 时间越短,信号沿的空间延

12、展也越短,在任一时刻发生耦合的总互感 和总互容也越小.前面已经阐述过了,串扰是由于临近两导体之间的互容和互感所 引起的.因而在临近传输线上引起的感应噪声的大小和他们之间的互 感和互容大小都有关系.例如,如果一信号进入传输线1(如图5-7), 由于互感Lm和互容Cm的作用,将在传输线2上产生一电流.由互容 引起的电流分别向受侵害线的两个方向流动,而由互感引起的电流从 受侵害线的远端流向近端,这是由于互感产生的电流总是与侵害线中的电流相反.所以,从受侵害线近端到远端的串扰电流由很多局部组 成见图5-7.图5-7互容互感引起的串扰电流示意图'near I(Lm) Inear(Cm)'

13、far 'far(Cm) I(Lm)受侵害线上近端和远端串扰噪声的波形可以从图 5-8看出,当一个 数字脉冲进入传输线,它的上升沿和下降沿将不断地在受侵害线上感 应出噪声,在这里的讨论中,我们假设信号上升沿或者下降沿的变化 速度非常快,远远小于传输线延迟.那么根据前面的描述,一局部串扰 噪声将传向近端,另一局部将传向远端,也就是我们所定义的近端串 扰脉冲和远端串扰脉冲.如图5-8,远端串扰脉冲将和侵害线上的信 号同步流向终端,而近端串扰脉冲将起始于侵害线上信号变化沿出现 时刻,并流向近端.这样,当驱动线上的信号变化沿在时间t=TD这 里T虎信号在传输线上的延迟时间到达传输线远端时,如果

14、远端存 在匹配,那么,侵害信号和远端串扰将在远端被匹配消除.同时,侵 害信号的变化沿在被终端匹配消除前产生的最后一局部近端串扰信 号将在t=2TD时才到达近端,这是由于,这局部信号又要经过整条传 输线才能被传回近端.所以,对于一对被终端匹配好的传输线来说, 近端串扰起始于t=0并且持2TD勺时间,或者说两倍于传输线的电气长 度.相反,受侵害线远端接收到的远端串扰起始于 TD,持续时间为数 字信号的上升或者下降时间.Slq制 miecteef mg 由电 beqirmin口 号t 巾.Hne_/ E%o d dnwig SJQnal ；V弋Now cM crosswalk puts0?1q/一：

15、4i Far «ndMcav end '''*Far end crosstalk ptitee.Lpropaqated Io 立 Etddllin电Trnea 1 /2TD (V V ViVqYtJ",< Far andNe»rend fSkjnal 口r.口目口拄led t.thi gnd of thg Hni_Tinw-T'忑I_*- -J- 一fcl. $Far end croB&TaFk pulse ,5 "r1占 E 郡 E=u> 1X图5-8串扰噪声示意图串扰噪声的大小和形状很大程度上取决于

16、耦合的大小与端接的情 况.图5-9给出的等式和插图详细地描述了一条安静的受侵害线上由 于串扰而得到的最大电压的状况.这里假设了受侵害线上存在多种端 接策略,驱动线上也使用了端接来消除反射,使问题简化.这些等式 主要是用来估计串扰的幅度,并使读者了解特殊的端接策略对噪声幅 度的影响.当图5-17中所示的拓扑结构变得更加复杂时, 那么必须采用 类似SPICE勺工具来进行仿真. 'J F.B!产产*务| ,扣 r-图5-9各种匹配情况下的串扰反射示意图图5-9中假设了信号在传输线上的传输时间为两倍上升时间：TD X , LC在这里,X是指传输线长度,L和C是指单位长度传输线本身的电感 和电容

17、,注意：如果Tr 2X、例如,边沿变化率大于两倍的传输线延迟,近端 串扰将不能到达其最大振幅,为了正确计算Tr八人5时的串扰电压, 近端串扰只须乘以2X'LL/Tr即可,而远端串扰不会由于长度变化而 改变.需要注意的是：当上升时间小于传输线时延时长线情况, 近端串扰的最大幅值和信号上升时间没有什么关系,而当上升时间大 于传输线时延的时候短线情况,近端串扰的大小和信号上升时间 有一定关系.由于这个原因,定义长传输线的标准为传输线的电气时 延必须大于信号的1/2上升时间或下降时间,这时可以得到,近 端串扰的幅度与线长无关即前向串扰的饱和,而远端串扰那么总是 取决于上升时间和线长.应该指出的

18、是图5-9中的公式假设了受侵害线上的终端电阻与传 输线完全匹配,消除了不完全匹配的影响.为了重现这些影响,可以 使用反射概念来分析.例如,假设图5-17中第一种情况的终端匹配电 阻日不等于受侵害线的传输线阻抗为了简单起见,在这里假设了 侵害线的匹配完全,此种情况下,近端和远端串扰值就必须加上各自的串扰反射电压.所以,在不完全匹配系统中,串扰信号的计算公 式为：V V . . (1 -R-Z0)x crosstalk R Z0在这里,V用不完全匹配情况下调整后的近端或远端串扰值, R 就是终端匹配电阻,Zo为传输线特性阻抗,Vcrosstalk是通过图5-9 计算出来的串扰值.注：如果信号的上升

19、或者下降时间小于传输线延迟,那么近端串扰最大幅值与上升时间无关. 如果信号的上升或下降时间长于传输 线延迟,那么近端串扰的大小与上升时间有关.远端串扰在任何情况下都和信号的上升或者下降时间有关.串扰是由电磁耦合形成的,电磁耦合又可为容性耦合和感性耦合 两种.因此,当信号在通过一导体传输线时会通过两种方式将能量耦 合到相邻的传输线导体上,即容性耦合与感性耦合.为了了解形成远 端特征和近端特征的根源,我们首先研究容性耦合电流在导线两端的 行为,然后研究感性耦合电流并把这二者相加.图5-10所示是重新构建的仅含互容元件的等效电路模型.在该 例中,假设耦合的长度大于饱和长度.我们把上升边沿看作是动态线

20、 移动的电流源,所以仅在信号前沿存在的区域,才有容性耦合的电流 流入静止线.图5-10只有耦合电容的耦合传输线等效电路模型决定电流方向的主要因素是噪声电流所遇到的阻抗.静止线上的噪声电流所碰到的阻抗相同,均为 50欧姆,那么噪声电流在前向和后 向的电流量将相等.静止线上电容耦合电流环路的方向是从信号线到返回路径.信号线与返回路径间的正向电压将沿着两个方向传播.当信号最初出现在驱动端时,就有一些容性耦合电流流入静止线 上.一半电流向后流回近端,另一半向前流动.流过静止线近端的端 接电阻的电流是正方向,即从信路径流回返回路径.当信号上升沿在 驱动端出现,近端噪声的电压值从 0V开始逐步上升.随着信

21、号沿沿 着传输线传播,后向的容性耦合噪声电流以恒定的速率持续流回到近 端.当前沿传输了 一个饱和长度后,近端的电流将到达一个恒定的值. 在作用线上的信号到达远端端接的电阻之后,就没有耦合噪声电流. 但是静止线上仍然有后向电流流向静止线的近端,这段额外时间等于时延TQ近端信号,容性耦合电流在上升时间内到达一个恒定的值, 并且 保持该恒定的值,持续2XTD的时间,然后下降到0.如图5-11所 /K.RT 'TO： Time图5-11通过端接电阻,静止线近端的容性耦合噪声 近端容性耦合电流的饱和值为：I 11C| vV1C| vV c 2 2 mL4 mL其中,IC是容性耦合的,静止线近端的

22、饱和噪声电流；CmL是单位长度的互容；v是信号传播速率；V是信号电压；1/2 factor是一半的电流流入近端,另一半流入远端；1/2 factor是2XTD内的后向噪 声由于到达静止线的容性耦合电流与 dV/dt成比例,实际到达静止 线上的远端噪声,是信号沿的导数.如果信号沿是线性斜率,容性耦 合噪声电流将是短的矩形脉冲,短脉冲持续时间与上升时间相等.在 远端感应的容性噪声信号如图5-12所示.Time图5-12通过端接电阻,静止线远端的容性耦合噪声从作用线耦合到静止线上的电流的总值集中在这个短脉冲,电流脉冲的幅值,通过端接电阻,转换为电压.1cCmLLenVRT其中,Ic是从作用线耦合到静

23、止线的电流的总和；1/2 factor是 流向远端的容性电流的一局部；CmL是单位长度下的互容；RT是信号 的上升时间；V是信号的电压该式说明了远端容性耦合电流的幅值与单位长度的互容,走线的耦合长度成正比,与上升时间 RT成反比.上升时间越短,远端噪声 电流就越大.与近端的情况不同,远端接受的噪声幅值与耦合区域的长度成正 比,与上升时间成反比,在远端,容性耦合的电流方向是正方向,即 从信号线到返回路径,因此通过端接电阻产生正的电压.感性耦合电流与容性耦合电流的行为是相似的. 这些电流通过互 感,由作用线上的dl/dt驱动,在静止线上产生电压,进而形成感性 耦合电流.作用线上电流的变化是从信号路

24、径到返回路径,沿着传输线传播. 这个电流回路在静止线上感应出一个电流回路.静止线上电流回路的方向与感应的电流回路的方向相反.静止线上感应的电流回路的方向 是从返回路径到信号路径.如图 5-13所示.作用线上的dI/dt在静 止线上感应出电压,反过来在静止线上产生 dI/dt ,感应的电流将沿 着静止线的两个方向传播.active linequ由 ImecunenL loop图5-13作用线对静止线感应的感性电流示意图一旦静止线上感应出电流,遇到相同的阻抗,那么在静止线沿两个 方向传播的感应电流的幅值相同.后向的感性耦合电流与容性耦合电流的幅值相同, 当驱动端出现 信号,它从0开始上升.当信号的

25、上升时间的延展比饱和长度长,后 向电流将到达一个恒定的值,并保持这一水平.当作用线信号的上升沿到达远端的端接电阻,在静止线上仍然有后向感性耦合噪声电流.向前和向后的电流噪声如图5-14所示.Signal or active line 15q.iF?* Ldr图5-14信号在作用线上传播时,感应的向前和向后的感性电流回路前向移动时,感性耦合电流与作用线信号边沿的传播速率相同, 而且在每一步,将会耦合出越来越多的噪声电流, 所以远端噪声随着 耦合长度的增加而增加.远端的感性耦合电流的形式是上升时间的导 数,它与信号的dI/dt成正比.远端感性耦合电流的方向是从返回路径到信号线,与容性耦合电流的方向

26、相反.因此,在远端,容性耦合噪声与感性耦合噪声的方向 是相反的,净噪声将是二者之差.近端串扰(Near-end crosstalk):指干扰源对牺牲源的发送端产 生的第一次干扰,也称为后向串扰(Forward Crosstalk ).近端噪声电压与通过近端端接电阻的耦合电流有关,近端噪声有四个重要的特性：1 .如果耦合长度大于饱和长度,噪声电压将到达一个稳定的值. 这个最大电压幅度被定义为近端串扰值(NEXT,如果作用线上的电 压为Va,静止线上最大后(项)向电压为 Vb, NEXT=Vb/Va,这个值 也被称为近端串扰系数：kbVbVa2 .如果耦合长度比饱和长度短,电压峰值将小于NEXT实

27、际的噪声电平是峰值乘以实际耦合长度与饱和长度的比值.例如：饱和长度是6in ,上升时间为1ns,耦合长度是4in ,近端噪声是V /Va = NEXT X4 in/6 in = NEXT X0.66.图5-15所示就是耦合长度为饱和长度的20% 到饱和长度的2倍时,近端噪声的电压电平.Rise lime 五 0.8 nsec Speed .日.6 inF力 sac Saturation length 口.日 nsec x 6 6 in/nsec 5 inches Co tip led lengths = 1 in, 3 in, S in, 7 inp 10 in图5-15耦合长度变化时的近端串

28、扰电压3 .近端噪声的持续时间为2TD4 .近端噪声的出现与信号的上升时间有关.对于近端串扰,VbW干扰源信号的传输方向相反,随着干扰线上 的脉冲信号不断向远端传输,串扰电压最后在近端叠加,得到的是一 个连续的、低电平、宽脉冲信号.当 TD>RT/2时,该脉冲的宽度为 2TD,它与干扰源信号的脉冲沿无关.TD为传输线总延时,R伪信号 的上升时间当信号为线性斜率时,近端串扰电压如图 5-16所示.> -s-oc pefmdz图5-16信号是线性倾斜时,近端串扰电压的特征NEXT勺幅值依赖于互感和互容.由下式决定：NEXT Vb k, 1(CmL -LmL)Va %4 cL ll其中,

29、NEXT；近端串扰系数；Vb为静止线上后向的电压噪声； Va为作用线上的信号电压；CmL、LmL为单位长度的互容和互感；Cl、 Ll为单位长度的电容和电感当两条传输线间距减小时,互容和互感将增加,NEXT1将增力口c根据经验估计,在噪声预算中允许的最大串扰大约为信号摆幅的 5%.如果静态线是总线的一局部,那么静态线近端噪声可能会提升到 一般情况下的2.1倍.这是静止线两边的相邻导线和较远导线产生的 耦合噪声之和.对近端串扰估计出一个设计规那么,两线的间距应该保证使相邻走线间的近端噪声要少于5%/2.1=2%要到达这个要求,信 号走线之间的间距要至少是2倍的线宽.如果相邻信号线间的间距大于2倍的

30、线宽,最大的近端串扰噪声 将小于2%的信号摆幅.图5-17总结了在带状线和微带线中,间距分 别为1倍线宽,2倍线宽,3倍线宽下的耦合.图5-17对于微带线和带状线,几个特殊间距下的近端串扰系数远端串扰(Far-end crosstalk):指干扰源对牺牲源的接收端产 生的第一次干扰,也称为前向串扰(Forward Crosstalk ).远端噪声电压与通过远端端接电阻的耦合电流有关.远端噪声的四个重要特性：1. 远端噪声起始于TD时刻,沿着静止线向远端传播的噪声与信号具有相同的速率.2. 远端噪声是作为脉冲出现的,是信号的导数.耦合电流通过dV/dt , dI/dt产生.静止线上产生的串扰脉冲将和作用线上 的信号同步流向终端.图5-1