线间串扰分析和微波网络基础

高速电路设计系列讲座之四北京研究所硬件与光电子部周小军2003.9.30线间串扰与微波网络基础主要内容线间串扰容性耦合和感性耦合前向串扰和后向串扰串扰的抑制差分对特点布线微波网络基础S、Y、Z参数第一部分串扰什么是串扰？CrossTalk线间的电磁耦合产生不期望的噪声电压包括电场耦合、磁场耦合任何相邻的传输线间都可产生入侵网络和受害网络只在信号跳变的时刻才会发生容性耦合和感性耦合容性耦合，即电场耦合，引发耦合电流，干扰源上的电压变化在被干扰对象上引起感应电流而导致电磁干扰感性耦合，即磁场耦合，引发耦合电压，干扰源上的电流变化产生的磁场在被干扰对象上引起感应电压从而导致的电磁干扰容性耦合信号和感性耦合信号统称为串扰高频回流低频回流：电阻最小的路径高频回流：阻抗最小的路径，即电感最小、电容最大的路径高频回流传输线的回流总是趋向低阻抗的路径，这种靠大电容耦合抑制电场，靠小电感耦合抑制磁场来维持低电抗的方法称为自屏蔽每个回流信号产生一个磁场，如果有很多传输线在传输，回流区域将迭加，产生区域性的磁场，这些磁场将对与其场强范围内的传输线产生感应电压，对这些传输线的信号产生噪声影响，造成传输信号的失真回流电流密度回流引起的串扰大小和信号线之间的距离D，地平面的高度H以及系数K有关，K与信号的上升时间以及相互干扰的信号线的长度有关，总是小于1电容耦合两个电路中的导体，但它们靠得比较近且有电位差的时候，它们的电场会对对方发生感应，相互作用，相互影响，这称为电场耦合。两个导体电场的耦合程度取决于导体的形状、尺寸、相互位置和周围介质的性质，也就是导体间的分布电容。感应电压是源电压、频率、导体几何形状和电路阻抗的函数。噪声电压产生于接收器与地之间，干扰以位于接收器和地之间的电流源形式存在C12为两线间的耦合电容dV1/dt是入侵网络的电压变化率，与上升/下降时间有关C12C1GC2GRV1互容电流：电容耦合示意图CICICR0RLR2GR2L电流源电感性耦合当变化的电流产生磁通时，使源电路与另一电路（敏感电路）链环，结果出现磁感应（感性）耦合。感应电流是原电流、频率、导体几何形状和电路阻抗的函数。当电流在电路1中流动时，在电路2中产生磁通，使电路1和2之间存在互感M12。噪声电压产生于与接收器串联的导线中，干扰以串联于接收器中的电压源形式存在电感性耦合示意图MR2RR1RR2互感电压：VN＝LMdI1/dtR1I1VNI1VNV1V1LM为两线间的耦合电感dI1/dt是入侵网络的电流变化率，与上升/下降时间有关电感耦合示意图MILILR0RLR2GR2L～电压源串扰分析模型AB：驱动线路 CD：受扰线路A：驱动端 B：接收端C：近端（后向） D：远端（前向）感性串扰分析图近端串扰：持续时间2Tpd，幅度不变远端串扰：持续时间不变（tr/tf），幅度与线长成正比感性串扰分析相当于在受扰网络中串联电压源前向串扰电压和后向串扰电压极性相反、大小相等前向串扰电流和后向串扰电流同向且相等前向串扰具有累积效应，持续时间短（等于驱动源的上升/下降时间）后向串扰不具有累积效应，持续时间长（等于2Tpd）前向串扰和后向串扰在V-T图上包围的面积相等感性串扰时序分析A：入侵网络驱动端信号B：入侵网络接收端信号C：受扰网络近端信号D：受扰网络远端信号容性串扰分析相当于在受扰网络中并联电流源前向串扰电压和后向串扰电压相等前向串扰电流和后向串扰电流大小相等、方向相反前向串扰具有累积效应，持续时间短（等于驱动源的上升/下降时间）后向串扰不具有累积效应，持续时间长（等于2Tpd）前向串扰和后向串扰在V-T图上包围的面积相等容性串扰时序分析A：入侵网络驱动端信号B：入侵网络接收端信号C：受扰网络近端信号D：受扰网络远端信号互感与互容的合成效应互感串扰和互容串扰同时存在前向串扰：互感串扰极性为负，互容串扰极性为正，两者会发生部分抵消或完全抵消后向串扰：互感串扰和互容串扰极性都为正，串扰加强一般只需考虑后向串扰，前向串扰可以不计互感与互容的合成效应若两条信号走线具有完美的参考平面，处于均匀的介质当中（如带状线），则感性和容性耦合所产生的前向串扰的大小相等,极性相反，相互抵消，而后向串扰则表现为相同极性，两种感应产生串扰电流(电压)相互迭加对非理想的地平面（如参考平面开槽）或微带线，互感增大，感性耦合的影响要大于容性耦合，前向串扰不能完全抵消，感性耦合产生的串扰就比容性产生的大很多，前向串扰呈负极性，串扰电压的波峰值可能要比后向串扰大得多后向串扰的反射实际上，源端和终端不会完全匹配后向串扰不会完全被源端吸收，部分反射会终端，对终端造成干扰后向串扰的饱和在一定的传输线长度范围内，如果增加线长，后向串扰电压的峰值不变，但串扰的保持时间将变大，这种串扰电压峰值不随传输线长度的增加而增大的特性称为反向串扰的饱和后向串扰能否饱和与信号的上升/下降时间密切相关。只有当传输线的延时（tpd）超过信号上升时间的一半，后向串扰才能达到串扰电压的峰值，且大小不再随传输线的延长而变化后向串扰饱和现象分析后向串扰饱和现象分析上升沿的第一部分对C端引起的串扰持续时间为2Tp在2Tp之内，如果上升沿的最后一部分还没有开始传输，那么C端的后向串扰电压将不会到达它的饱和值当Tp=Tr/2的时候,正好波形为一个三角形当Tp>Tr/2的时候,将会使得后向串扰到达饱和电压并保持2Tp-Tr的时间当Tp<Tr/2，后向串扰将到达不到饱和值,此时的上升时间为Tr’（Tr’<Tr）后向串扰电压随时间变化图奇模和偶模电流对串扰的影响电磁场越密集，串扰就越大等幅同向的量称为偶模量（even）；等幅反向的量称为奇模量（odd）奇模驱动下，电场耦合多，磁场耦合少Lodd＝L11－L12，Codd＝C11＋C12偶模驱动下，电场耦合少，磁场耦合多Leven＝L11＋L12，Ceven＝C11－C12L11：单线分布电感 L12：耦合电感C11：单线对地电容和耦合电容之和C12：耦合电容奇模和偶模的电磁场虚线为磁力线，实线为电力线奇模阻抗和偶模阻抗耦合传输线的奇模阻抗比单端阻抗小耦合传输线的偶模阻抗比单端阻抗大耦合越紧，奇模阻抗和偶模阻抗差异越大；耦合越松，奇模阻抗和偶模阻抗差异越小，趋近单端阻抗奇模阻抗：偶模阻抗：奇模和偶模驱动对线路阻抗的影响奇模和偶模驱动对传播速度的影响电磁场在介质均匀（即处于同一介质）的系统中以TEM模式进行传播时，L与C的积保持不变在多导体的均匀介质中（如带状线、埋入微带线），L的增大必然伴随C的减小，反之亦然，两者乘积不变，传播速度不变在非均匀介质中（电磁场分布在不止一种介质中，如表面微带线），不同传播模式下L、C的乘积不再保持恒定，传播速度改变多导线系统中的串扰最邻近的传输线产生的影响最大，而其它线的影响将呈指数递减共模（所有位同相）和差模（目标位反相）将产生最坏的阻抗和速度变化与参考平面的距离越近，串扰越小即使周围的传输线没有信号变化，传输线的阻抗也会受到一定的影响（临近传输线的耦合电容效应使阻抗变小）在给定的介电常数下，串扰对低阻抗传输线产生的阻抗改变较小串扰引起参数变化的趋势串扰引起的阻抗变化取决于互感和互容的变化幅度大小，亦即与传输线的截面尺寸有关在一定的介电常数下，低阻抗传输线上因串扰引起的阻抗变化比高阻抗线上的来得小一些。原因在于低阻抗传输线和参考平面的耦合比较大。如果传输线与参考平面的耦合加强，那么它和相邻线之间的耦合将减弱低阻抗传输线通常通过增加传输线的线宽和减少介质的厚度实现。线宽太大将占用更大的布线空间，介质太薄将大大地提高成本串扰对带状线阻抗的影响串扰对微带线阻抗的影响奇模和偶模传输线对的终结

－Pi型终结器奇模和偶模传输线对的终结

－T型终结器串扰的抑制将传输线间的距离S增大到规则允许的最大值尽量使导体靠近平面层，增强与平面层间的耦合对关键网络使用差分线技术相邻的信号层，走线彼此正交最小化信号间平行走线的长度信号线应该设计成带状线或埋式微带线，以消除传输速度的变化妥善布局，防止布线时出现拥挤在满足时序要求的前提下尽量使用上升边沿慢的器件加入保护地环第二部分差分对差分-高速互连的趋势Hypertransport1.6Gbps(400MHz-1.6GHz)AGP8x2.1Gbps(533MHz)3GIO2.5Gbps(2x1.25GHz)Infiniband2.5Gbps(2.5GHz)OC-482.488Gbps(2.5GHz)OC-1929.953Gbps(10GHz)RapidIO1632Gbps(1GHz,16bitmode)OC-76839.81Gbps(40GHz)第三部分微波网络基础微波系统主要研究信号和能量两大问题信号问题主要是研究幅频和相频特性；能量问题主要是研究能量如何有效地传输微波系统必须采用场分析法，但场分析法过于复杂，需要一种简化方法微波网络法就是等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决为什么微波引入网络分析法？微波网络理论与低频网络理论的关系都属于等效电路法：描述电路（系统）的外部特征；用网络参量建立起系统各端口的电压、电流之间的关系；这些描写电路端口的场量或电路量之间关系的网络参量都可以通过实验方法测试出来微波网络理论在低频网络理论的基础上发展起来，低频电路分析是微波电路分析的一个特殊情况微波网络的特殊之处微波等效网络及其参量是对某一工作模式而言，不同模式有不同的等效网络结构和参量用电压、电流作业网络端口物理量时，需要明确它们的定义需要确定网络的参考面微波中的网络及其参量只对一定频段才是适用的微波网络的种类一般地，对于网络有Y、Z和S参数可供测量分析电路网络，前三个参数主要用于集总电路，而S参数则更适合于分布电路，Y称导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数微波网络的Z参量矩阵＝

微波网络的Y参量矩阵＝

S参数Z和Y参数对于集中参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试在微波系统、分布参数电路中，很难测试Z、Y参数S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络微波网络的S参数矩阵Sij代表的意思是从j口注入，在i口测得的能量。如S11定义为从Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为反射电压和入射电压的比值S参数的含义S11：端口2匹配时，端口1的反射系数S22：端口1匹配时，端口2的反射