我們知道，當信號沿傳輸線(xiàn)傳播時(shí)，在信號路徑和返回路徑之間將產(chǎn)生電力線(xiàn)；圍繞在信號路徑和返回路徑周?chē)矔?huì )產(chǎn)生磁力線(xiàn)。這些電場(chǎng)和磁場(chǎng)還會(huì )延伸到周?chē)目臻g。這些延伸出去的場(chǎng)被稱(chēng)為邊緣場(chǎng)，如果另外一根信號線(xiàn)剛好在邊緣場(chǎng)范圍之內的話(huà)，就會(huì )受到干擾，這樣的一種耦合效應我們就稱(chēng)為串擾。

 

 

考慮最簡(jiǎn)單的一種情況，就是兩根信號線(xiàn)之間的串擾，這一對信號線(xiàn)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(chēng)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 )的信號耦合到靜態(tài)網(wǎng)絡(luò )上后靜態(tài)信號線(xiàn)上的噪聲情況。

 

 

下面是一個(gè)串擾的波形，紅色為近端噪聲(NEXT), 藍色為遠端噪聲(FEXT),后面我們會(huì )對其進(jìn)行具體分析。

 

 

2、串擾耦合途徑

把兩根耦合線(xiàn)等效為電路模型，如下圖所示，可以看出，串擾基本分為電容性耦合和電感性耦合，電容和電感都與串擾有關(guān)，但是還是要區別考慮，當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(xiàn)或者接插件中的單個(gè)引腳，感性耦合電流將遠大于容性耦合電流，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

兩根相鄰的導線(xiàn)(或導體)，如果靠的夠近，當一條在線(xiàn)有電壓信號的變化，會(huì )產(chǎn)生電場(chǎng)對另一線(xiàn)耦合出電流信號變化。由于這是電場(chǎng)的影響，所以可以透過(guò)寄生電容(互容, mutual capacitance)模型來(lái)解釋。

 

對于傳輸線(xiàn)上任意一個(gè)小段，等效模型如下圖，在信號跳變沿通過(guò)這一小段傳輸線(xiàn)的過(guò)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(guò)電容，電流流入受害線(xiàn)后，由于受害線(xiàn)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，與攻擊信號傳播方向相同的電壓稱(chēng)為前向電壓，與攻擊信號傳播方向相反的電壓稱(chēng)為后向電壓。

 

 

下面我們來(lái)具體分析電流情況，假設有一個(gè)邊沿信號在動(dòng)態(tài)線(xiàn)上傳輸，當信號變壓在dV/dt或者dI/dt的區域，就會(huì )有耦合電流流到靜態(tài)線(xiàn)上，導線(xiàn)上除此之外的任何地方，電壓和電流都為常數，所以不會(huì )出現耦合噪聲電流。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。

 

當動(dòng)態(tài)線(xiàn)上升沿剛剛露出之后，隨著(zhù)動(dòng)態(tài)信號前進(jìn)，靜態(tài)線(xiàn)上后向流動(dòng)的容性耦合電流以恒定速度持續流回到近端。當前沿傳輸了一個(gè)飽和長(cháng)度后(信號前沿的空間延伸的耦合長(cháng)度稱(chēng)為飽和長(cháng)度)，互容耦合因有增有減而維持不變，靜態(tài)線(xiàn)近端的電壓幅度將達到一個(gè)穩定值。當動(dòng)態(tài)線(xiàn)上的信號到達遠端匹配電阻器后，就不再產(chǎn)生新的耦合噪聲電流，但是靜態(tài)線(xiàn)上還有后向電流陸續流向靜態(tài)線(xiàn)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。從2×TD開(kāi)始下降到0，其中上升邊等于信號上升時(shí)間。

 

 

在一半容性耦合噪聲電流流回近端及信號沿動(dòng)態(tài)線(xiàn)向前傳輸的同時(shí)，另一半容性耦合噪聲電流也沿導線(xiàn)向前流動(dòng)。靜態(tài)線(xiàn)上的前向電流向遠端移動(dòng)的速度與動(dòng)態(tài)線(xiàn)上的信號前沿向遠端傳播的速度相同，前向噪聲電流就像是對動(dòng)態(tài)信號做沖浪運動(dòng)一樣。在靜態(tài)線(xiàn)上的每一步，一半噪聲電流會(huì )疊加在已經(jīng)存在的沿線(xiàn)噪聲上。

 

在遠端，直到信號前沿到達遠端，才有電流出現。信號達到遠端的同時(shí)，前向容性耦合電流也到達遠端。

 

如果信號邊沿是線(xiàn)性上升的，則容性耦合噪聲電流為一個(gè)很短的矩形脈沖，持續時(shí)間等于信號的上升時(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(xiàn)上dI/dt的驅動(dòng)，經(jīng)過(guò)互感在靜態(tài)線(xiàn)上產(chǎn)生一個(gè)電壓，進(jìn)而形成感性耦合電流。

 

沿傳輸線(xiàn)傳播時(shí)，動(dòng)態(tài)線(xiàn)上變化的電流從信號路徑流到返回路徑。這一電流回路最終會(huì )在靜態(tài)線(xiàn)上感應出電壓并形成一個(gè)電流回路。靜態(tài)線(xiàn)上電流以相反的方向環(huán)繞成感應電流回路。所以在動(dòng)態(tài)線(xiàn)上的信號邊沿附近，靜態(tài)線(xiàn)上感應的電流回路方向是從返回路徑流向信號路徑。

 

 

靜態(tài)線(xiàn)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(xiàn)上的感應電流回路中的一半電流流回后方的近端，另一半向前方的遠端傳播。

 

 

電感耦合噪聲近端以正電壓(凸起)的形式出現，但遠程以負電壓(凹陷)的形式出現，且遠程耦合噪聲的凹陷深度和耦合長(cháng)度與單位互感成正比。

 

 

 

3、如何減小串擾

增大傳輸線(xiàn)之間的間距是減小串擾的最好方法，另外，還有一些其他的方法一起總結如下：

 

1. 增加信號路徑之間的間距；

2. 用平面作返回路徑；

3. 使耦合長(cháng)度盡量短；

4. 在帶狀線(xiàn)層布線(xiàn)；

5. 采用低特性阻抗；

6. 使用低介電常數材料；

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(xiàn)上有短路過(guò)孔的防護布線(xiàn)。

 

（來(lái)源：信號完整性之旅，作者：王彥武）