5 高速信号的串扰分析

高速电路信号完整性分析与设计电子工业出版社教材配套电子教案第五章高速信号的串扰分析串扰基本知识串扰机理分析串扰的仿真分析串扰基本知识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。串扰中的干扰源与被干扰对象串扰基本知识被干扰线上产生的四种不同类型的影响串扰基本知识串扰的来源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。信号线附近的场分布串扰基本知识电感矩阵和电容矩阵电感矩阵和电容矩阵被统称为传输线矩阵。式中，LNN表示传输线N的自感；LMN表示传输线M和N之间的互感。串扰基本知识式中，CNN是指传输线N上的寄生电容，它包括传输线N自身的对地电容与和其他传输线的互容之和；CMN是指传输线N和传输线M之间的互容。串扰基本知识均匀传输线的串扰对于两根耦合的传输线，电容矩阵和电感矩阵是简单的2×2维矩阵。非对角线上的元素分别表示了互容和互感的值。一对紧耦合传输线可以采用n段集总参数电路等效的电路模型表示，如下图：串扰基本知识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串扰基本知识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串扰基本知识静止线上的耦合噪声有四个重要的特性：(1)瞬时耦合电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。若导线间的间距减小，单位长度耦合增加，则瞬时耦合噪声也会增加。kneeR0.35FTkneeR0.35FTkneeR0.35FTkneeR0.35FTkneeR0.35FT串扰基本知识(3)信号的速率越大，瞬时耦合的总电流越大。这是由于速率越大，上升时间的空间延展就越长，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，信号沿的空间延展也越短，在任一时刻发生耦合的总互感和总互容也越小。串扰机理分析串扰引起的噪声由互容引起的电流分别向受害线的两个方向流动，而由互感引起的电流从受害线的远端流向近端，这是因为互感产生的电流总是与侵害线中的电流相反。所以，从受害线近端到远端的串扰电流由很多部分组成：串扰机理分析互容和互感引起的串扰电流示意图串扰机理分析受害线上近端和远端串扰噪声示意图串扰机理分析串扰噪声的大小和形状很大程度上取决于耦合的大小与端接的情况。下图给出的等式和插图详细地描述了一条安静的受害线上由于串扰而得到的最大电压的状况。串扰机理分析各种匹配情况下的串扰反射示意图串扰机理分析注意：如果信号的上升时间或下降时间小于传输线的时延，那么近端串扰的最大幅值与上升时间无关；如果信号的上升时间或下降时间大于传输线的时延，那么近端串扰的最大幅值与上升时间有关。远端串扰在任何情况下都与信号的上升时间或下降时间有关。串扰机理分析容性耦合与感性耦合串扰是由电磁耦合形成的，电磁耦合又可分为容性耦合和感性耦合两种。容性耦合电流：决定电流方向的主要因素是噪声电流所遇到的阻抗。只有耦合电容的耦合传输线等效电路模型通过端接电阻，静止线近端的容性耦合噪声串扰机理分析静止线近端容性耦合电流的饱和值IC为式中，CmL是单位长度的互容；v是信号传播速率；V是信号串扰机理分析通过端接电阻时，静止线远端的容性耦合噪声串扰机理分析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中，电流脉冲的幅值通过端接电阻转换为电压。串扰机理分析感性耦合电流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dI/dt驱动，在静止线上产生电压，进而形成感性耦合电流。作用线对静止线感应的感性耦合电流示意图串扰机理分析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串扰机理分析近端串扰与远端串扰近端串扰近端串扰电压的特征串扰机理分析远端串扰微带线和带状线中几个特殊间距下的近端串扰系数串扰机理分析传输模式与串扰差模:指两根耦合的传输线相互之间的驱动信号幅值相同但相位相差180°，其传输模式被称为差模传输模式。共模：共模是指两条耦合传输线上驱动信号的幅度与相位都相同，其传输模式被成为共模传输模式。串扰机理分析差模与共模传输线的匹配π型匹配网络T型匹配网络串扰的仿真分析电流流向对串扰的影响串扰是与方向有关的，其波形是电流流动方向的函数，这里我们作了两种情况的信号仿真。干扰源线网与被干扰对象线网的电流流向相同干扰源线网与被干扰对象线网的电流流向相反串扰的仿真分析电流流向不同时远端D点的峰值串扰串扰的仿真分析改变电流方向的仿真(采用IS)串扰的仿真分析两线间距P与两线平行长度L对串扰大小的影响在两线间距P和平行长度L不变的条件下，探测被干扰对象的串扰在两线平行长度L不变的前提下，将两线间距P增加到10mil，然后探测被干扰对象的串扰在两线间距P不变的条件下，将两线的平行长度L增加到2.6in，然后探测被干扰对象的串扰串扰的仿真分析两线间距P和平行长度L取不同值时的峰值串扰串扰的仿真分析两线间距P与两线平行长度L对串扰大小的影响(采用IS)串扰的仿真分析能够减小串扰的jog走线方式串扰的仿真分析干扰源信号频率及上升时间对串扰的影响干扰源信号频率取不同值时对应的峰值串扰串扰的仿真分析干扰源信号的频率变化对串扰的影响(采用IS)串扰的仿真分析干扰源信号的上升时间变化对串扰的影响(采用IS)串扰的仿真分析地平面对串扰的影响地平面对微带传输线的串扰影响(采用IS)串扰的仿真分析传输线离地平面的不同距离对应的远端峰值串扰串扰的仿真分析地平面对带状传输线的串扰影响(采用IS)