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实验七串音现象
ㄧ、原理说明
串音(crosstalk)一种讯号干扰现象，发生于相邻布线讯号间的电磁耦合，然后影响到彼此的讯号大小。

主要是两相邻导体之间所形成的互感与互容所造成的影响，透过互感或互容将能量转移至邻近讯号在线，随着印刷电路板的绕线布局密度增加而益显严重，尤其是长距离总线的布局或是频率成分很高的讯号，更容易发生串音的现象，如图7.1所示，显示串音经由电磁耦合将能量传到邻近的布在线造成讯号干扰。

图7.1 串音现象
这种经由互感与互容将能量由一个传输线耦合到相邻
的传输在线，依发生位置可以区分为近端串音(near-end crosstalk)或逆向串音(backward crosstalk)及远程串音(far-end crosstalk)或顺向串音(forward crosstalk)。

图7.2为两传输线发生串音的示意图及其等效电路图，两并行线长度为l，驱动线(Driver line)上传送一正缘的脉波(positive-going edge )，假定在x点经由互容Cm及互感Km会在受干扰线(Victim line)上造成不必要的干扰讯号。

驱动线在x点透过互容Cm 产生一个电流I c流到受干扰在线，此电流将分成两个大小相等方向相反的电流朝向受干扰在线的两个端点流走，而驱动线在x点也透过互感Km感应产生一个电流I L流到受干扰在线，此电流在受干扰线之方向因Lenz’s定律其方向将与驱动线之电流方向相反，因此在受干扰在线将有I c/2-I L的电流远程并且也将有的I c/2+I L电流朝向近端。

图7.2 两传输线发生串音的示意图及其等效电路图
已经了解串音的现象后，开始来讨论远程及近端串音大小，图7.3 说明在并行线远程及近端串音的示意图，假设在驱动端传送一正缘脉波，在x1点将因互容及互感而在受干扰在线产生V b1的电压朝向近端流动及V f1的电压朝向远程流动，另外在x2点也将产生V b2的电压朝向近端流动及V f2的电压朝向远程流动。

因此累积一段并行线段后，在受干扰线的近端将会有一个极性与驱动端相同且宽度为2T d的脉波干扰讯号产生，而在受干扰线的远程在T d的时间一般将会产生一个极性与驱动端相反且大小与线长及脉波上升时间成正比之脉波干扰讯号，其中T d为两并行线长的传输时间，图7.4为远程及近端串音大小示意图。

图7.3 并行线远程及近端串音的示意图
图7.4为远程及近端串音大小示意图
一般受干扰在线因驱动在线电压V in 而产生串音的讯号大小为
)t (x,V t)(x,V t)V(x,f b +=
其中顺向干扰讯号V f (x,t)为
)(),(x T t V dt d x K t x V o in f f -=
反向干扰讯号V b (x,t)为
[])2()(),(d o in o in b b T x T t V x T t V K t x V -+--=
如果两平线是对称的线，则顺向串音系数K f (forward crosstalk coefficient)及反向串音系数K b (backward crosstalk coefficient)分别为
⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+=--=o m o m o b o m o m f Z C Z L T K Z C Z L K 41 & 21
其中
C m 为两并行传输线之间的互容，L m 为两并行传输线之间的互感，Z o 为传输线的特性阻抗，T d 为传输线l 长的传输延迟时间及T o 为单位长度的传输延迟时间。

但是若两平线是非对称的线，则其顺向串音系数K f (forward crosstalk coefficient)及反向串音系数K b (backward crosstalk coefficient)分别为
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛
+=--=21212121212141 21
C C C C C C m m b m m f L L L K L L L C C L L K
若在驱动在线之驱动讯号大小(amplitude)为Vm 及讯号上升时间(rise time)为Tr ，参考图7.5则其讯号大小表示式为
))()(()(r m in T t f t f V t V --=
上升函数(ramp
function)
)()(t u T t t f r =
线长l 之顺向串音大小
为
)(),(d in f f T t V dt d
l K t l V -=
r
d d T T t T +<<=r m
f T V l K
e l s e w h e r e
0= 所以只有在讯号上升时间或下降时间才会发生串音。

而线长l 之反向串音大小为
))2()2()()(( ))2()((),0(d r d r m b d in in b b T T t f
T t f T t f t f V K T t V t V K t V --+----=--= 反向串音大小为K b V m 且宽度为2T d 之脉波，如图7.6所示。

但是若2T d < T r 则其大小必须降低2T d /T r 的因子，所以其反向串音大小变成为2T d /T r K b V m 。

T d =T o ⨯l ，因此反向串音
大小为2( T o l/T r )K b V m 。

如
果可允许最大的反向串音
大小为Vb,max ，则最大可
允许之并行线长度为
m b b o r V K V T T l max
,max 2=。

二、实验方法及结果分析 圖7.5 上升函數 圖7.6 反向串音於2T d > T r 及2T d < T r
在这一部分我们主要实验为：
一、求出２条50mm讯号线之近端和远程的串音(CROSSTALK)现象。

二、本组会在2条传输线中间做一些改变，中间间距为
65mils(图示1)为对照组我们会在这间距中加入一条微带线(Microstrip line)为下面的(图示2)
27mm
50mm
三另一对照组则采用2条讯号阻抗不相同的差动架构来比较其串音的现像(图示3)其中较粗的讯号线为25奥姆，其于为50奥姆。

目的在于差阻抗不匹配下其串音现像会造成何种变化
四中间为有微带线但和没有VIA钻孔和背面接地(图示四)，来和图1的情形来比较。

看其串音现像是否有其改善五在背面GND层挖空(2260x1935mils)，其中2条讯号
线间距为65mils来比较电源回路的长短是否会为串音现像造成影响
以下为实际洗出来的实体板子
量测方式和仪器
我们这次使用的是TDR阻抗测试器，如下图所示
利用TDR阻抗测试器，我们可以量测到线路的阻抗和传输DELAY时间，还有我们这次关心的串音的大小。

下图为近端串音测试，输入讯号线和输出讯号线为同一个SIDE，然后另一个SIDE接上2个五十奥姆终端电阻
下图为远程串音测试，输入讯号线和输出讯号线为不同一个SIDE，然后依然在线路的终端接上五十奥姆终端电阻
TDR阻抗测试仪量测数据
近端串音远程串音
1.2mv -20.2Mv
中间间距65mils对
照
间距5mils 24mv -30.9mv
中间有线 5.8Mv -27.5Mv
中间有线下地-1Mv -13Mv
17mv -32mv
阻抗不同25Ω为
input
阻抗不同50Ω为
18mv -30mv
input
背面地挖空43.2Mv -53.9mv
三、下面在ADS中建立一个新的模拟Project “Cross_T alking”
从Window XP 工具栏中 开始 程序集 Advanced Design System 2005A 点选Advanced Design System 选项，开启ADS主窗口。

ADS主窗口
在ADS主窗口中点选进入文件夹C:/users/default/ ，如下
图所示
在default文件夹上点选两下，立即进入default文件夹内，如下图所示
在菜单上选择【File】 【New Project】
开启建立【New project】的窗口，如下图所示
在【Name】c:\users\default\下键入Cross_Talking，如下图所示
【Project Technology Files】中，选择ADS Standard Length unit—millimeter，如下图所示；
按ok键，进入【Cross_Talking】文件夹中，如下图所示
请点选New Layout Window图示
将开启一个untitled的Layout窗口，如下图所示
从菜单Momentum Substrate Create/Modify中,开启Create/Modify基板对话窗口，如下图所示
在Substrate Layers中设定相关参数如下图所示
点选Metallization Layer s，设定相关参数如下图所示后，按
OK键回Layout窗口
在Layout窗口中，点选Insert Trace 图示，并在开启的属性窗口键入Width=1.4m m，Corner Type 点选Square后，按Close键返回Layout窗口
在Layout窗口中点选菜单中【File】>【Save Design】，在开启的Save Design对话窗口中，键入文件名“picture1”后按【储存】键结束此窗口，并返回Layout窗口中
点选菜单中【Insert】>【Coordinate Entry】
出现Coordinate Entry 窗口
请依序键入座摽(0,0)按Appl y，(2,0)按Appl y，(22,-20) 按Appl y，(72,-20) 按Appl y，(92,0) 按Appl y，(94,0) 按Appl y，最后按OK回Layout窗口
完成一条传输线
先点选Layout窗口中传输线后再点选菜单中【Edit】>【Copy】
在开启的Set Paste Origin窗口中输入坐标(0,0)
点选菜单中【Edit】>【Paste】
在Layout窗口中任一位置按鼠标右键，即可贴上
先点选Layout窗口中贴上之传输线后再点选菜单中【Edit】>【Mirror About X】
在传输线任一位置用鼠标点选一下，即完成Mirror之动作
为了两条传输线相距1.6mm，所以先画出一条线宽3.2mm 的参考线
请点选Insert Trace图示
在Trace对话框中点选Corner Type为Squre,Width=3.2mm
在坐标(21.7,-20.7)点下第一点
在坐标(50.6,0)点下第二点
移动第二条传输线去紧邻参考线
点选参考线，在按键盘上Delete键完成
完成后之Layout 图
点选Insert Port 图示依序加入
P1,P2,P3,P4 P1 P2 P3 P4
在菜单中点选Momentum>Simulation>S-parameters进入Simulation Control对话窗口
设定频率Start=0GHz,Stop=10GHz, Sample Points Limit=100,并勾选【Data Display】中”Open data disp lay when simulation completes”后，按【Simulate】键
因为running非常长所以更改simulation方式
在ADS主窗口中点选”New Design”开启新对话窗口
5. 在开启的新对话窗口中键入【cross_talk】，即会产生一个全新的schematic 档案后，点选OK键，即进入schematic 窗口
6. 进入TDR_schematic file窗口，即可开始绘制电路图
7. 在TLines-Microstrip组件库中选取【MSub】组件，并放入窗口中
8.以鼠标左键连续点击【MSUB1】组件两下，进入组件的属性窗口，并一一输入其参数值，如下图所示，输入完后点选OK键
9.在TLines-Microstrip组件库中选取【MCLIN】组件，并
放入窗口中
10.以鼠标左键连续点击【MCLIN】组件两下进入组件的属性窗口，并一一输入其长度及宽度参数值，如下图所示，点选OK键
11.依下图完成三条长度及宽度依序为(2500mil,56mil), (750mil, 100mil), (750mil,30mil)传输线
12.在Sources-Time Domain组件库中选取【VtPulse】组件，并放入窗口中。

并以鼠标左键连续点击【VtPulse】组件两下，进入组件的属性窗口，并一一输入其参数值
13. 在Simulation-Transient组件库中选取【Tran】即会出现Transient执行引擎组件，并放入窗口中。

以鼠标左键连续点击【Transient】组件两下进入组件的属性窗口，并一一输入其参数值
14.在工具栏中选取【Insert VAR】图标组件，并放入窗口中。

以鼠标左键连续点击【Insert VAR】图标组件两下进入
组件的属性窗口
15.在【Insert VAR】属性窗口中增加变量名称【Trise】及
变量值=0.039，按OK键回Schematic窗口
16.在Schematic窗口中，按工具栏中【Insert Wire/Pin Label】图示，在开启的对话窗口中分别键入【Vin】,【V_thru】,【V_near】, 【V_far】并分别放置于图中节点中
17.最后完成之TDR仿真电路图，如下图所示
按菜单上执行图标执行
执行完成会自动显示出数据显示(data display)窗口，并会立即开启”cross_talk”窗口
按【Rectangular Plot】图标，加入Data Display窗口中，并自动跳出Plot Traces & Attributes窗口
请在Plot Traces & Attributes窗口中的【Datasets and Equations】点选V1后按【>>Add>>】键加至【Traces】，如下图所示；按【OK】键结束窗口，
在Data Display窗口中将显示出Vin, V_far, V_near的Rectangular Plot图形
点选菜单【Marker】>New加入两个新的Marke r，m1及m2
获得近端及远程Cross talking 分别为V_near=24.66mV 及V_far=-199.4mV
点选Schematic窗口中菜单File>Save Design As…
请在对话窗口中键入文件名”cross_talk_1”，按储存返回Schematic窗口
点击CLin1两下进入属性窗口
更改S=5 mi l，并按OK返回Schematic窗口
CLin1组件已更动S=5mil
按菜单上执行图标执行
执行完成会自动显示出数据显示(data display)窗口，并会立即开启”cross_talk_1”窗口
按【Rectangular Plot】图标，加入Data Display窗口中，并自动跳出Plot Traces & Attributes窗口
请在Plot Traces & Attributes窗口中的【Datasets and Equations】点选V1后按【>>Add>>】键加至【Traces】，如下图所示；按【OK】键结束窗口，
在Data Display窗口中将显示出Vin, V_far, V_near的
Rectangular Plot图形
点选菜单【Marker】>New加入两个新的Marke r，m1及m2
获得近端及远程Cross talking 分别为V_near=164.1mV
及V_far=-375.4mV。