信号完整性（SI）电源完整性（PI）学习笔记（十七）传输线的串扰（一）

传输线的串扰（一）

1.四类信号完整性问题：
（1）单根传输线的信号完整性问题—反射效应；
（2）相邻线传输之间的信号串扰问题—串扰效应；
（3）与电源完整性相关的问题—轨道塌陷；
（4）电磁干扰EMI和辐射问题—电磁干扰。
①串扰是四类信号完整性问题之一，指的是有害信号从一个线网传递到相邻线网，任何一对线网之间都存在串扰。
②我们通常把噪声源所在的线网称为动态线或攻击线，而把由噪声形成的线网称为静态线或者受害线。
③串扰是发生在一个线网的信号路径及返回路径与另一个线网的信号路径及返回路径之间的一种效应。不仅是信号路径而且它与整个信号返回路径都密切相关。

2.在单端数字信令系统中，噪声容限通常设为信号电压摆幅的15%。随着器件类型的不同，情况也有所不同，在这15%，约有1/3即信号电压摆幅的5%是与串扰有关的。

3.在混合信号系统中，含有模拟或者射频元件时，在敏感导线上可承受的最大噪声可能远低于信号摆幅的5%，甚至会低到信号摆幅的-100，即信号电压摆幅的0.001%。

4.在评估用以降低串扰的设计规则时，第一步就是先建立一个可接受的规范，可接受的串扰越低，允许的互联容忍度就越低，系统的潜在成本也就越高。

5.叠加是分析信号完整性的一个重要原则，在研究串扰时尤其重要。
（1）叠加是所有线性无源系统（互联的子集）的一个性质，它基本上是指在同一个线网上的多个信号之间互不影响，而且彼此完全无关。所有从动态线网上耦合到静态线网上的总电压与静态线网上的原有电压完全无关。
（2）静态线上所耦合的噪声可能与任何现有的信号都无关。
（3）静态线上的总电压为原有信号电压与耦合噪声电压之和。

6.静态线上噪声电压的表现与信号电压完全一样，一旦在静态线上产生噪声电压，他们就会传播并在阻抗突变处出现反射。

7.如果静态线的每一边都有一条动态线，并且每条动态线耦合到静态线上的噪声都相同，则每一对线之间的最大可容许噪声为1/2*5%=2.5%。

8.这些场并未封闭在信号路径和返回路径之间的空间内，而是会延伸到周围的空间，我们把这些延伸出去的场称为边缘场。
FR4中50Ω微带线的边缘场产生的电容，大约等于那些接在信号线下方的电力线所产生的电容，这是个经验法则。

9.（1）距离导线越远的地方，边缘场就会迅速下降。
（2）如果在一个线网边缘场仍很强的区域不得不布信号路径和返回路径，边缘场就会在这条路径上产生噪声。
（3）在静态线上产生噪声的唯一途径就是动态线上的信号电压和电流发生变化，变化的电场引起位移电流变化的磁场引起感应电流。

10.在设计互联时，为了减少串扰，就是要尽量减小在两对信号-返回路径之间边缘电场和边缘磁场的交叠。
（1）将两条信号线之间的间距加大。
（2）让信号线更靠近返回平面，导致边缘场线也更靠近平面，使得泄露到邻近信号线上的边缘场更少。
边缘场是引起串扰的根本原因。

11.（1）在系统中，任何两个线网之间总是会有边缘场产生的容性耦合和感性耦合，我们把耦合电容和耦合电感称之为互容和互感。
（2）互容和互感都与串扰有关，但还是要区别考虑。
①当返回路径是很宽的均匀平面时，如电路板上的大多数耦合传输线，容性耦合电流和感性耦合电流的量级大约相同。
②若返回路径不是很宽的均匀平面，此时，感性耦合电流将远大于容性耦合电流，此时，噪声的行为主要由感性耦合电流决定。
（3）静态线上的噪声是动态线网上的di/dt驱动的，它通常是在驱动器开关时，即信号的上升边和下降边处产生，这种噪声被称为开关噪声。

12.（1）噪声电压在静态线的两端进行测量。将静态线的两端连接快速示波器的输入通道，可以使静态线得到有效的端接。
（2）为了区分这两个末端，把距离源端最近的一端称为“近端”，距离源端远的一端称为“远端”，远端是信号传输方向的“前方”，近端是信号传输的“后方”

13.（1）近端噪声迅速上升到一个固定值，并且保持这一值的持续时间为耦合长度时延的两倍，然后再下降。这个恒定的近端噪声饱和量称为近端（NEXT）系数。
（2）NEXT值很特殊，是在两端有端接匹配的情况下，而耦合长度又很长，足以使噪声达到一个稳定平坦值时，把他定义为近端噪声的。NEXT是静态线上形成噪声的测度。
（3）NEXT的值取决于走线之间的距离。

14.（1）信号在动态线走过一个单程的时间后才会有远端噪声，他的出现非常迅速，且持续的时间很短，脉冲的宽度就是信号的上升边长峰值电压称为源端串扰（FEXT）系数，该系数是指端接匹配这一特殊情况下的值。
（2）四个因素可以减小FEXT：
①将返回平面更靠近信号线
②减小耦合长度
③拉长上升边
④加大走线之间的距离。

15.串扰模型：描述串扰的一种方式是给出耦合线的等效电路模型。
（1）差分对模型；（理想分布式耦合传输线模型）
（2）n集总电路模型；
①理想分布式耦合传输线模型描述了一个差分对，其中描述耦合的参数项有：奇模阻抗，偶摸阻抗，奇模时延和偶摸时延。这四项描述了所有传输线及耦合效应。
②另一个广泛用于描述耦合的模型是n节集总电路模型。在这种模型中，两条传输线都描述为n节集总电路模型，他们之间的耦合则描述为互容器和互感器元件。
模型的信号路径和返回路径之间的实际电容值和回路电感值以及互感值和互容值沿传输线是均匀分布的。

16.在有些仿真器中，尽管仿真引擎真正用的是分布式传输模型，但这种矩阵表示形式仍是描述传输线耦合的基础。

17.两条耦合传输线可以描述为两个独立的n节集总电路模型，在这个无耦合模型的基础上，需要加入耦合，耦合是用单位长度互容Cml和单位长度回路互感Lml加以描述的。
两条耦合传输线的各种问题都能用4个线参数（Cl，Ll，Cm和Lm）加以描述。在任意一对传输线的各节之间就有一个互容器，而且任意一对信号-返回路径的各节之间就有一个互感器。

18.SPICE电容矩阵，元素是耦合传输线等效电路模型的参数值。
在电容矩阵里，对角线元素是信号路径和返回路径之间的电容，非对角元素是耦合电容，即互容。对于均匀传输线每个矩阵元素都是单位长度电容，其单位通常是pF/in。

19.在耦合传输线上，常常将非对角元素的大小与对角元素进行比较，在上面的五条50Ω耦合线事例中，线间距等于线宽（可制造的最小间距），相邻线之间的相对耦合均为5%，中间相隔一条导线的两条导线之间的相对耦合则小于0.6%。
（1）对于给定的走线配置，电路模型本身不会改变，但走线之间不同的物理配置将影响其中的参数值。
（2）如果改变走线的宽度，那么首先它将影响到这条线对应的对角线元素，以及这条线与两边相邻线之间的耦合，其次它将影响与其他走线之间的耦合。

20.麦克斯韦电容矩阵：场求解器计算出的电容矩阵，场求解器是用于求解在一组具体边界条件下的一个或多个麦克斯韦方程的工具。