高速电路信号完整性分析及设计五--串扰分析.pdf

第5 章 高速电路信号完整性分析与设计-高速信号的 串扰分析 串扰是不同传输线之间的能量耦合。当不同结构的电磁场相互作用时，就会发生串扰。 在数字设计中，串扰现象是非常普遍的。串扰可能出现在芯片、PCB 板、连接器、芯片封装 和连接器电缆等器件上。此外，随着技术的进步和客户要求的提高，产品向物理尺寸更小、 速度更快的方向发展，这使得数字系统中的串扰急剧增加。串扰将给系统设计带来很大的困 难。所以，了解串扰的机理并掌握解决串扰的设计方法，对工程师而言是至关重要的。本章 中将介绍引发串扰的机理，给出建模方法，并详细阐述串扰对系统性能的影响。 5.1 串扰基本知识 5.1.1 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，而感性耦合 （当 干扰源是以电流形式出现的，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。由于自身的逻辑电平发生变化，对其他信号产生影响的信号线称为“攻击线” （Aggressor ），即干扰线。受到影响而导致自身逻辑电平发生异常的信号连线我们称为“牺 牲线”（Victim ），即被干扰线。串扰噪声从干扰对象上通过交叉耦合到被干扰对象上，表现 为在一根信号线上有信号通过时，在PCB 板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的信号。 图5-1 中如果位于A 点的驱动源称为干扰源（Aggressor ），则位于D 点的接收器称为被 干扰对象（Victim ），A 、B 之间的线网称为干扰源网络，C、D 之间的线网称为被干扰对象 网络；反之，如果位于C 点的驱动源称为干扰源，则位于B 点的接收器称为被干扰对象，C、 D 之间的线网称为干扰源网络，A 、B 之间的线网称为被干扰对象网络。 图5-1 串扰中的干扰源与被干扰对象 当干扰源状态变化时，会在被干扰对象上产生一串扰脉冲，在高速系统中，这种现象很 1 普遍。例如，当干扰源的信号有上升沿跳变（从0 到1），而被干扰源保持为0 电平，通过两 者之间的交叉耦合电容，在被干扰源上就会产生一个短时的脉冲干扰，如图 5-2.a 所示。类 似的，在干扰源上有一个上升沿跳变（从0 到1），而在被干扰源上有一个下降沿跳变（从1 到0 ），由于交叉耦合的影响，在被干扰源上就会产生时延，如图5-2.b 所示。 图5-2 a)短时脉冲干扰 b)时延 通常，依赖于干扰源和被干扰源上信号的跳变，被干扰线上产生四种类型的影响：正的 短时脉冲，负的短时脉冲，上升时延，下降时延，如图5-3 所示。 图5-3 四种不同影响 从干扰线耦合到被干扰线上的电压与被干扰线上的电压是完全无关的。 5.1.2 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。 如果将两导线的间距加大，可看到边缘场的强度大大减弱。图5-4 所示表明了在信号路 径与返回路径之间的边缘场以及另一个网络分别在远处和近处时两者之间的相互作用情况。 2 图5-4 信号线附近的场分布 由图可见，第2 根线处在边缘场的附近时，就有过多的耦合和串扰。归根结底，边缘场 是引起串扰的根本原因。减小串扰最重要的方法就是使网络间的间距足够远，使其边缘场降 低到可以接受的范围。 在系统中的每两个网络之间，总会有边缘场产生的电感耦合和电容耦合。我们把耦合电 感和耦合电容分别叫做互感和互容。 互感是引起串扰的两个重要因素之一，互感系数Lm 标志了一根驱动传输线通过磁场对 另外一根传输线产生感应电流的程度。从本质上来说，如果“受害（Victim ）线”和驱动线(侵