【導(dǎo)讀】串?dāng)_是信號(hào)完整性中最基本的現(xiàn)象之一，尤其現(xiàn)在大多數(shù)電子產(chǎn)品越來越小，PCB板上走線密度越來越大，信號(hào)速率越來越高，串?dāng)_問題也越來越困擾SI工程師。
1、串?dāng)_的概念
串?dāng)_是信號(hào)完整性中最基本的現(xiàn)象之一，尤其現(xiàn)在大多數(shù)電子產(chǎn)品越來越小，PCB板上走線密度越來越大，信號(hào)速率越來越高，串?dāng)_問題也越來越困擾SI工程師。
到底什么是串?dāng)_呢，我們從最直觀的一個(gè)波形開始，看一看串?dāng)_到底會(huì)引起什么問題，下圖黃色圈內(nèi)的波形即為受到串?dāng)_影響的信號(hào)，在信號(hào)高電平或低電平產(chǎn)生毛刺，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
我們知道，當(dāng)信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)，在信號(hào)路徑和返回路徑之間將產(chǎn)生電力線；圍繞在信號(hào)路徑和返回路徑周圍也會(huì)產(chǎn)生磁力線。這些電場(chǎng)和磁場(chǎng)還會(huì)延伸到周圍的空間。這些延伸出去的場(chǎng)被稱為邊緣場(chǎng)，如果另外一根信號(hào)線剛好在邊緣場(chǎng)范圍之內(nèi)的話，就會(huì)受到干擾，這樣的一種耦合效應(yīng)我們就稱為串?dāng)_。
考慮最簡(jiǎn)單的一種情況，就是兩根信號(hào)線之間的串?dāng)_，這一對(duì)信號(hào)線其中一根是攻擊網(wǎng)絡(luò)，也叫動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò) (Aggressor Line)，另一根稱之為受害網(wǎng)絡(luò)，也叫靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)(Victim Line)，我們所要分析的就是動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)耦合到靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)上后靜態(tài)信號(hào)線上的噪聲情況。
下面是一個(gè)串?dāng)_的波形，紅色為近端噪聲(NEXT), 藍(lán)色為遠(yuǎn)端噪聲(FEXT),后面我們會(huì)對(duì)其進(jìn)行具體分析。
2、串?dāng)_耦合途徑
把兩根耦合線等效為電路模型，如下圖所示，可以看出，串?dāng)_基本分為電容性耦合和電感性耦合，電容和電感都與串?dāng)_有關(guān)，但是還是要區(qū)別考慮，當(dāng)返回路徑是很寬的均勻平面時(shí)，容性耦合和感性耦合電流量大約相同，如果返回路徑不是很寬的均勻平面，而是封裝中的單個(gè)引線或者接插件中的單個(gè)引腳，感性耦合電流將遠(yuǎn)大于容性耦合電流，此時(shí)，噪聲的行為主要由感性耦合電流決定。
1. 電容性耦合
兩根相鄰的導(dǎo)線(或?qū)w)，如果靠的夠近，當(dāng)一條在線有電壓信號(hào)的變化，會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)對(duì)另一線耦合出電流信號(hào)變化。由于這是電場(chǎng)的影響，所以可以透過寄生電容(互容, mutual capacitance)模型來解釋。
對(duì)于傳輸線上任意一個(gè)小段，等效模型如下圖，在信號(hào)跳變沿通過這一小段傳輸線的過程中，這個(gè)等效電容上的電壓不斷變化，因此就有電流流過電容，電流流入受害線后，由于受害線兩個(gè)方向上的阻抗相同，因此電流同時(shí)向兩個(gè)方向流動(dòng)，大小相等，方向相反。
流動(dòng)的電流在兩個(gè)方向上都會(huì)產(chǎn)生電壓，與攻擊信號(hào)傳播方向相同的電壓稱為前向電壓，與攻擊信號(hào)傳播方向相反的電壓稱為后向電壓。
下面我們來具體分析電流情況，假設(shè)有一個(gè)邊沿信號(hào)在動(dòng)態(tài)線上傳輸，當(dāng)信號(hào)變壓在dV/dt或者dI/dt的區(qū)域，就會(huì)有耦合電流流到靜態(tài)線上，導(dǎo)線上除此之外的任何地方，電壓和電流都為常數(shù)，所以不會(huì)出現(xiàn)耦合噪聲電流。只有在active line傳遞edge所到之處的瞬間(dI/dt arrive)，才會(huì)在quiet line產(chǎn)生感應(yīng)成份(coupled noise, V)
上圖紅色為近端耦合電流，下面綠色為源端耦合電流傳播及疊加示意圖。
當(dāng)動(dòng)態(tài)線上升沿剛剛露出之后，隨著動(dòng)態(tài)信號(hào)前進(jìn)，靜態(tài)線上后向流動(dòng)的容性耦合電流以恒定速度持續(xù)流回到近端。當(dāng)前沿傳輸了一個(gè)飽和長(zhǎng)度后(信號(hào)前沿的空間延伸的耦合長(zhǎng)度稱為飽和長(zhǎng)度)，互容耦合因有增有減而維持不變，靜態(tài)線近端的電壓幅度將達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。當(dāng)動(dòng)態(tài)線上的信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端匹配電阻器后，就不再產(chǎn)生新的耦合噪聲電流，但是靜態(tài)線上還有后向電流陸續(xù)流向靜態(tài)線的近端，這段額外時(shí)間等于時(shí)延TD。
如下圖所示，近端的特征，就是容性耦合電流上升到一個(gè)恒定值并持續(xù)。從2×TD開始下降到0，其中上升邊等于信號(hào)上升時(shí)間。
在一半容性耦合噪聲電流流回近端及信號(hào)沿動(dòng)態(tài)線向前傳輸?shù)耐瑫r(shí)，另一半容性耦合噪聲電流也沿導(dǎo)線向前流動(dòng)。靜態(tài)線上的前向電流向遠(yuǎn)端移動(dòng)的速度與動(dòng)態(tài)線上的信號(hào)前沿向遠(yuǎn)端傳播的速度相同，前向噪聲電流就像是對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)做沖浪運(yùn)動(dòng)一樣。在靜態(tài)線上的每一步，一半噪聲電流會(huì)疊加在已經(jīng)存在的沿線噪聲上。
在遠(yuǎn)端，直到信號(hào)前沿到達(dá)遠(yuǎn)端，才有電流出現(xiàn)。信號(hào)達(dá)到遠(yuǎn)端的同時(shí)，前向容性耦合電流也到達(dá)遠(yuǎn)端。
如果信號(hào)邊沿是線性上升的，則容性耦合噪聲電流為一個(gè)很短的矩形脈沖，持續(xù)時(shí)間等于信號(hào)的上升時(shí)間。
2. 電感性耦合
感性耦合電流和容性耦合電流的行為是相似的。受動(dòng)態(tài)線上dI/dt的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過互感在靜態(tài)線上產(chǎn)生一個(gè)電壓，進(jìn)而形成感性耦合電流。
沿傳輸線傳播時(shí)，動(dòng)態(tài)線上變化的電流從信號(hào)路徑流到返回路徑。這一電流回路最終會(huì)在靜態(tài)線上感應(yīng)出電壓并形成一個(gè)電流回路。靜態(tài)線上電流以相反的方向環(huán)繞成感應(yīng)電流回路。所以在動(dòng)態(tài)線上的信號(hào)邊沿附近，靜態(tài)線上感應(yīng)的電流回路方向是從返回路徑流向信號(hào)路徑。
靜態(tài)線上產(chǎn)生這種電流回路時(shí)，將沿兩個(gè)方向等量傳播。靜態(tài)線上的感應(yīng)電流回路中的一半電流流回后方的近端，另一半向前方的遠(yuǎn)端傳播。
電感耦合噪聲近端以正電壓(凸起)的形式出現(xiàn)，但遠(yuǎn)程以負(fù)電壓(凹陷)的形式出現(xiàn)，且遠(yuǎn)程耦合噪聲的凹陷深度和耦合長(zhǎng)度與單位互感成正比。
3、如何減小串?dāng)_
增大傳輸線之間的間距是減小串?dāng)_的最好方法，另外，還有一些其他的方法一起總結(jié)如下：
1. 增加信號(hào)路徑之間的間距；
2. 用平面作返回路徑；
3. 使耦合長(zhǎng)度盡量短；
4. 在帶狀線層布線；
5. 采用低特性阻抗；
6. 使用低介電常數(shù)材料；
7. 在封裝和連接件中不要共用返回引腳；
8. 使用兩端和整條線上有短路過孔的防護(hù)布線。
（來源：信號(hào)完整性之旅，作者：王彥武）
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