高速电路与系统互连设计--串扰及其消除

高速电路与系统互连设计中信号完整性(SI)分析--------串扰及其消除引言串扰是四类信号完整性问题之一，它是指有害信号从一个网络转移到相邻网络。任何一对网络之间都存在串扰。串扰是发生在一个网络的信号路径及返回路径和另一个网络的信号路径及返回路径之间的一种效应。不仅仅只是信号路径，它与整个信号－返回路径回路都密切相关。串扰的基本概念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（跳变）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。感性耦合（当干扰源是以电流（跳变）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）则产生耦合电压。传输线近端串扰和远端串扰近端串扰对近端串扰估计出一个设计规则，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%。要达到这个要求，信号走线之间的间距要至少是2倍的线宽。在带状线和微带线中，间距分别为1倍线宽，2倍线宽，3倍线宽下的耦合传输线模型均匀传输线的串扰和饱和长度Activeline─动态线Quietline─静态线farend─远端nearend─近端只是在信号前沿处，电压或电流发生变化，只在这个区域中有耦合噪声电流从动态线“流到”静态线上。信号前沿也可以看作是沿导线移动，且与电压同相的电流源。在每一时刻，流经互容的总电流为：V信号电压Cm上升时间的空间延伸长度段上的耦合互容Ic从动态线流到静态线上的容性耦合噪声电流总的耦合电容就是上升时间空间延伸长度段上的电容：其中：Cm上升时间的空间延伸长度上的耦合互容CmL单位长度互容(C12)△X信号前沿沿动态线传播时的空间延伸RT信号上升时间IC从动态线流到静态线上的容性耦合噪声电流V信号电压V信号传播速度注入到静态线上的瞬时容性耦合电流总量为(移动电流源)：静态线上互感感应的瞬时电压为(移动电压源)：其中：VL从动态线到静态线上的感性耦合噪声电压I动态线上的信号电流LmL单位长度互感(L12)v信号传输速度RT信号上升时间静态线上的耦合噪声有四个很重要的性质：瞬时耦合电压噪声值和电流噪声值取决于信号的强度。----绝对幅度瞬时耦合电压噪声值和电流噪声值取决于以单位长度互容和单位长度互感为度量的单位长度耦合量。单位长度耦合增加，则瞬时耦合噪声也将增加。----互感互容速度越快，瞬时耦合总电流越大。----信号速度与介质材料有关信号的上升时间并不影响总的瞬时耦合噪声电压或电流。较短的上升时间使单位长度互容(或互感)的耦合噪声增加，但是前沿空间扩展也越短，发生耦合的总互容和总互感就越小。----上升边无关饱和长度饱和长度：上升边空间延伸的耦合长度Lensat=RT×v≈RT×6in/ns其中(FR4的PCB)：Lensat近端串扰的饱和长度（in）RT信号上升时间v信号在动态线上的传播速度饱和长度就是前沿的空间延伸。如果耦合区域的长度大于饱和长度，静态线上的瞬时耦合噪声值就与上升时间无关。ctiveline─动态线Quietline─静态线Saturationlength─饱和长度容性耦合电流两条耦合线等效电路模型，只给出耦合电容、耦合电流和信号前沿空间延伸(上边红色的为后向电流，下面绿色的为前向电流的传播及叠加示意图)近端容性串扰时间当动态线上的信号到达远端端接后，就不再有耦合噪声电流，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。近端的特征，就是容性耦合电流上升到一个恒定值并持续达2×TD，然后下降到0，其中上升时间等于信号上升时间。近端容性耦合饱和电流的幅度其中：Ic静态线近端的容性耦合饱和噪声电流CmL单位长度互容(C12)v信号传播速度V信号电压1/2因子来源于一半电流流向近端，另一半流向远端1/2因子后向噪声电流在时间2×TD内流动远端容性串扰V远端噪声Time时间TD时延RT上升时间从动态线耦合到静态线上的电流总量将集中于这个窄脉冲中。电流脉冲的幅度，在端接电阻上转化为电压V信号电压1/2因子容性耦合电流流向远端的部分CmL单位长度互容(C12)RT信号上升时间Ic从动态线流到静态线上的容性耦合噪声总电流感性耦合电流感性耦合特点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。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。沿后向传输时，电流回路是从信号路径流到返回路径。这与容性耦合电流的方向相同，所以近端的容性噪声电流和感性耦合噪声电流将叠加在一起。前向和反向的互感耦合近端感性耦合饱和电压幅度为：远端感性耦合饱和电压幅度为：近端串扰系数NEXT幅值与互容和互感关系：如果动态线上的电压为Va，静态线上最大后向电压为Vb，则称NEXT（Kb=Vb/Va）为近端串扰系数提示：如果耦合长度比饱和长度短，电压峰值将小于NEXT。实际的噪声电压峰值与耦合长度/饱和长度的比值成比例。其中：kb后向串扰系数CmL单位长度互容，pF/inLmL单位长度互感，nH/inCL信号路径上的单位长度电容，pF/inLL信号路径上的单位长度电感，nH/in特定间隔情况下微带线和带状线的近端串扰系数s信号线间距w线宽kb近端串扰系数近端串扰变成远端问题远端串扰系数直到信号输入经TD时延之后噪声才会出现。远端噪声脉冲宽度就是信号的上升时间。远端噪声的峰值与耦合长度成比例。FEXT=Vf/Va：其中：FEXT远端串扰系数Vf静态线远端的电压Va信号线电压Len两条线之间耦合区域的长度kf只与本征项有关的远端耦合系数v线上的信号传播速度CmL单位长度互容，pF/inCL信号路径上的单位长度电容，pF/inLmL单位长度互感，nH/inLL信号路径上的单位长度电感，nH/in减小远端串扰提示如果所有导线周围的介质材料是同质的，而且是均匀分布的，如两条耦合的、完全嵌入式微带线或两条耦合带状线，则相对容性耦合和相对感性耦合是完全相同的，在这种结构中就不会出现远端串扰。带状线没有远端串扰，减小微带线远端串扰的4个原则：1.增加信号路径之间的距离。把间距从1×W增加到3×W，可以使远端串扰减小65%。2.减小耦合长度。3.在表面导线的上方加上介质材料。使近端串扰系数增加(CmL变大)，并使传输线的特性阻抗减小。4.将敏感线布成带状线。防护布线防护布线是位于攻击线和受害线间的隔离线。防护布线可以使用在微带线和带状线结构中，但微带线中的防护布线价值不是特别大。加大间距可以得到许多好处，噪声可以减小到1/4。加入防护布线，并使其两端短路，噪声就可以再减小1/2。防护布线的短接将消除沿防护布线可能出现的任何近端噪声。减小介电常数可以降低串扰，但这是间接的作用。对于相同的期望阻抗，较低的介电常数允许信号路径和返回路径之间有更小的间距，这意味着产生的串扰较低。使用较小介电常数的材料，可以使布线间距相同时的串扰减小，或者是对相同的串扰指标，可以使布线间距更小。对于受到串扰规则的限制的设计，这种方法可以减小电路板尺寸。串扰和时序原则上讲，相邻攻击线产生的串扰应该不会影响受害线的时延。在带状线中，受害线上的信号速度与附近任何攻击线上的信号完全无关，而且串扰对时序也没有任何影响(带状线必然受宠)。受害线上的信号时延与攻击线上的电压模式有关。当攻击线和受害线的开关方向相反时，受害线时延减小。当攻击线和受害线上的信号相同时，受害线的时延将增加。三种方式攻击线上的电压模式对受害线时延影响知识总结高速电流信号沿着最小电感路径前进。在完整的地平面上，感性和容性串扰是相等的。前向串扰（远端）分量相抵消，而反向串扰（近端）分量相互加强。在开槽或不完整的地平面上，感性耦合大于容性耦合，使前向串扰变大，为负值。前向串扰与输入信号的导数以及线长成正比。反向耦合看起来像一个方波脉冲，高度为常数，脉冲的持续时间为2TD。对于短线，反向耦合达不到他的最大值。当反向串扰遇到一个低阻抗驱动器的时候，将反射会远端。