串扰机理详解

串扰机理详解

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。

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。

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(侵略线)的距离足够接近，以至于侵略线产生的磁场将受害线包围其中，则在受侵略的传输线上将会产生感应电流，而这个通过磁场耦合产生的电流在电路模型中就通过互感参数来表征。在互感Lm的作用下，将根据驱动线上的电流变化率而在受害线上引起一定的噪声，噪声电压的大小与电流变换率成正比，通常可以由下式计算：

,dI driver

V L

noise L m dt

m

=

由于感应噪声正比于信号的变化率,互感在高速数字电路的应用中显得尤为重要。

互容是引起串扰的另外一个重要因素,互容是两导体间简单的电场耦合,这种耦合在电路模型中以互容的形式表现出来。互容Cm将产生一个与侵略线上电压变换率成正比的噪声电流到受害线：

,dV driver

I C

noise C m dt

m

=

同样可以看到：感应噪声也是正比于信号的变化率，因此互容在高速数字应用中也是非常重要的。

需要说明的是，上式只是简易的近似公式用于阐述耦合噪声的机理。完整的串扰表达式将在后面给出。

在一个系统中，如果传输线之间发生了严重的耦合，那么通常使用的单根传输线模型就不再适合分析传输线的电气特征，在这种多导线系统中,我们必须考虑互感和互容来全面评估传输线的电气性能。

等式5-3和5-4描述了反映寄生耦合效应影响传输线系统性能的典型方法。电感矩阵和电容矩阵被通称为传输线矩阵。

1112121221L L L N L L Inductance matrix L L N NN ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦

这里，L NN 表示线N 的自感，L MN 表示线M 和N 之间的互感。

1112121221C C C N C C Capacitance matrix C C N NN ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦

在这里，C NN 是指传输线N 上的寄生电容。它包括导线N 自身的对地电容及和其它传输线的互容之和。C MN 就是传输线N 和传输线M 之间的互容。

由上节讨论可知，对于两根耦合的传输线，电容C 矩阵和电感L 矩阵是简单的2×2矩阵。非对角线上的元素分别表示了互容和互感的值。

假设有两根50Ω的传输线，具有相同的耦合分布。同时，在线的两端接上等于其特性阻抗50Ω的端接，这样可以消除反射带来的各种影响。等效的电路模型如图5-5所示。

图5-5 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

当信号沿着作用线传播时，在作用线和静止线间有互容和互感，这是噪声电流从作用线流向静止线的唯一路径。而只在特定的区域，即dV/dt或dI/dt，耦合噪声才会流向静止线。在电压和电流恒定的区域，没有耦合噪声电流。

如图5-6所示，信号的前沿近似为线性斜率，上升时间为RT，噪声近似与V/RT和I/RT成正比。

图5-6 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

在任一时刻，流过互容的总电流为：

dV

=

I C

c m dt

其中，V为信号的电压；Cm为信号上升时间段内耦合的互容

=⨯∆=⨯⨯

C C x C v RT

m mL mL

其中，C mL为单位长度的互容；v是信号传播的速率；RT为信号的上升时间

同时，注入到静止线上的瞬时容性耦合电流总量为：

V

=⨯⨯⨯=⨯⨯

I C v RT C v V

c mL mL

RT

从作用线流入静止线的容性耦合电流只在作用线上信号的边沿

处发生。但是，通过式（5-7）可知，耦合噪声电流总量与上升时间无关。而根据式（5-5），上升时间越快，则变化率dV/dt越大，所以可能认为容性耦合电流也越大。但是，上升时间越快，dV/dt的