高速電路信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì)五

./第5章高速電路信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì)-高速信號(hào)的串?dāng)_分析串?dāng)_是不同傳輸線之間的能量耦合。當(dāng)不同結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)相互作用時(shí),就會(huì)發(fā)生串?dāng)_。在數(shù)字設(shè)計(jì)中,串?dāng)_現(xiàn)象是非常普遍的。串?dāng)_可能出現(xiàn)在芯片、PCB板、連接器、芯片封裝和連接器電纜等器件上。此外,隨著技術(shù)的進(jìn)步和客戶要求的提高,產(chǎn)品向物理尺寸更小、速度更快的方向發(fā)展,這使得數(shù)字系統(tǒng)中的串?dāng)_急劇增加。串?dāng)_將給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來很大的困難。所以,了解串?dāng)_的機(jī)理并掌握解決串?dāng)_的設(shè)計(jì)方法,對(duì)工程師而言是至關(guān)重要的。本章中將介紹引發(fā)串?dāng)_的機(jī)理,給出建模方法,并詳細(xì)闡述串?dāng)_對(duì)系統(tǒng)性能的影響。串?dāng)_基本知識(shí)串?dāng)_的基本概念串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí),因電磁耦合對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲干擾。這種干擾是由于兩條信號(hào)線間的耦合,即信號(hào)線之間互感和互容耦合引起的。容性耦合〔當(dāng)干擾源產(chǎn)生的干擾是以電壓形式出現(xiàn)時(shí),干擾源與信號(hào)電路之間就存在容性〔電場(chǎng)耦合,這時(shí)干擾電壓線電容耦合到信號(hào)電路,形成干擾源引發(fā)耦合電流,而感性耦合〔當(dāng)干擾源是以電流形式出現(xiàn)的,此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過互感耦合對(duì)鄰近信號(hào)形成干擾則產(chǎn)生耦合電壓。由于自身的邏輯電平發(fā)生變化,對(duì)其他信號(hào)產(chǎn)生影響的信號(hào)線稱為"攻擊線"〔Aggressor,即干擾線。受到影響而導(dǎo)致自身邏輯電平發(fā)生異常的信號(hào)連線我們稱為"犧牲線"〔Victim,即被干擾線。串?dāng)_噪聲從干擾對(duì)象上通過交叉耦合到被干擾對(duì)象上,表現(xiàn)為在一根信號(hào)線上有信號(hào)通過時(shí),在PCB板上與之相鄰的信號(hào)線上就會(huì)感應(yīng)出相關(guān)的信號(hào)。圖5-1中如果位于A點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)源稱為干擾源〔Aggressor,則位于D點(diǎn)的接收器稱為被干擾對(duì)象〔Victim,A、B之間的線網(wǎng)稱為干擾源網(wǎng)絡(luò),C、D之間的線網(wǎng)稱為被干擾對(duì)象網(wǎng)絡(luò)；反之,如果位于C點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)源稱為干擾源,則位于B點(diǎn)的接收器稱為被干擾對(duì)象,C、D之間的線網(wǎng)稱為干擾源網(wǎng)絡(luò),A、B之間的線網(wǎng)稱為被干擾對(duì)象網(wǎng)絡(luò)。圖5-1串?dāng)_中的干擾源與被干擾對(duì)象當(dāng)干擾源狀態(tài)變化時(shí),會(huì)在被干擾對(duì)象上產(chǎn)生一串?dāng)_脈沖,在高速系統(tǒng)中,這種現(xiàn)象很普遍。例如,當(dāng)干擾源的信號(hào)有上升沿跳變〔從0到1,而被干擾源保持為0電平,通過兩者之間的交叉耦合電容,在被干擾源上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)的脈沖干擾,如圖5-2.a所示。類似的,在干擾源上有一個(gè)上升沿跳變〔從0到1,而在被干擾源上有一個(gè)下降沿跳變〔從1到0,由于交叉耦合的影響,在被干擾源上就會(huì)產(chǎn)生時(shí)延,如圖5-2.b所示。圖5-2a>短時(shí)脈沖干擾b>時(shí)延通常,依賴于干擾源和被干擾源上信號(hào)的跳變,被干擾線上產(chǎn)生四種類型的影響：正的短時(shí)脈沖,負(fù)的短時(shí)脈沖,上升時(shí)延,下降時(shí)延,如圖5-3所示。圖5-3四種不同影響從干擾線耦合到被干擾線上的電壓與被干擾線上的電壓是完全無關(guān)的。串?dāng)_的來源當(dāng)信號(hào)沿著傳輸線傳播時(shí),在信號(hào)路徑與返回路徑之間存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這些場(chǎng)的分布不僅僅限于信號(hào)和返回路徑之間的空間,而是在周圍空間延伸。我們把這些延伸出去的場(chǎng)稱為邊緣場(chǎng)。如果將兩導(dǎo)線的間距加大,可看到邊緣場(chǎng)的強(qiáng)度大大減弱。圖5-4所示表明了在信號(hào)路徑與返回路徑之間的邊緣場(chǎng)以及另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分別在遠(yuǎn)處和近處時(shí)兩者之間的相互作用情況。圖5-4信號(hào)線附近的場(chǎng)分布由圖可見,第2根線處在邊緣場(chǎng)的附近時(shí),就有過多的耦合和串?dāng)_。歸根結(jié)底,邊緣場(chǎng)是引起串?dāng)_的根本原因。減小串?dāng)_最重要的方法就是使網(wǎng)絡(luò)間的間距足夠遠(yuǎn),使其邊緣場(chǎng)降低到可以接受的圍。在系統(tǒng)中的每?jī)蓚€(gè)網(wǎng)絡(luò)之間,總會(huì)有邊緣場(chǎng)產(chǎn)生的電感耦合和電容耦合。我們把耦合電感和耦合電容分別叫做互感和互容?；ジ惺且鸫?dāng)_的兩個(gè)重要因素之一,互感系數(shù)Lm標(biāo)志了一根驅(qū)動(dòng)傳輸線通過磁場(chǎng)對(duì)另外一根傳輸線產(chǎn)生感應(yīng)電流的程度。從本質(zhì)上來說,如果"受害〔Victim線"和驅(qū)動(dòng)線<侵略線>的距離足夠接近,以至于侵略線產(chǎn)生的磁場(chǎng)將受害線包圍其中,則在受侵略的傳輸線上將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,而這個(gè)通過磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生的電流在電路模型中就通過互感參數(shù)來表征。在互感Lm的作用下,將根據(jù)驅(qū)動(dòng)線上的電流變化率而在受害線上引起一定的噪聲,噪聲電壓的大小與電流變換率成正比,通?？梢杂上率接?jì)算：〔5-1由于感應(yīng)噪聲正比于信號(hào)的變化率,互感在高速數(shù)字電路的應(yīng)用中顯得尤為重要?；ト菔且鸫?dāng)_的另外一個(gè)重要因素,互容是兩導(dǎo)體間簡(jiǎn)單的電場(chǎng)耦合,這種耦合在電路模型中以互容的形式表現(xiàn)出來?；ト軨m將產(chǎn)生一個(gè)與侵略線上電壓變換率成正比的噪聲電流到受害線：〔5-2同樣可以看到：感應(yīng)噪聲也是正比于信號(hào)的變化率,因此互容在高速數(shù)字應(yīng)用中也是非常重要的。需要說明的是,上式只是簡(jiǎn)易的近似公式用于闡述耦合噪聲的機(jī)理。完整的串?dāng)_表達(dá)式將在后面給出。電感和電容矩陣在一個(gè)系統(tǒng)中,如果傳輸線之間發(fā)生了嚴(yán)重的耦合,那么通常使用的單根傳輸線模型就不再適合分析傳輸線的電氣特征,在這種多導(dǎo)線系統(tǒng)中,我們必須考慮互感和互容來全面評(píng)估傳輸線的電氣性能。等式5-3和5-4描述了反映寄生耦合效應(yīng)影響傳輸線系統(tǒng)性能的典型方法。電感矩陣和電容矩陣被通稱為傳輸線矩陣?！?-3這里,LNN表示線N的自感,LMN表示線M和N之間的互感?！?-4在這里,CNN是指?jìng)鬏斁€N上的寄生電容。它包括導(dǎo)線N自身的對(duì)地電容及和其它傳輸線的互容之和。CMN就是傳輸線N和傳輸線M之間的互容。均勻傳輸線的串?dāng)_由上節(jié)討論可知,對(duì)于兩根耦合的傳輸線,電容C矩陣和電感L矩陣是簡(jiǎn)單的2×2矩陣。非對(duì)角線上的元素分別表示了互容和互感的值。假設(shè)有兩根50Ω的傳輸線,具有相同的耦合分布。同時(shí),在線的兩端接上等于其特性阻抗50Ω的端接,這樣可以消除反射帶來的各種影響。等效的電路模型如圖5-5所示。圖5-5一對(duì)緊耦合傳輸線和采用n段集總參數(shù)電路的等效電路模型當(dāng)信號(hào)沿著作用線傳播時(shí),在作用線和靜止線間有互容和互感,這是噪聲電流從作用線流向靜止線的唯一路徑。而只在特定的區(qū)域,即dV/dt或dI/dt,耦合噪聲才會(huì)流向靜止線。在電壓和電流恒定的區(qū)域,沒有耦合噪聲電流。如圖5-6所示,信號(hào)的前沿近似為線性斜率,上升時(shí)間為RT,噪聲近似與V/RT和I/RT成正比。圖5-6從作用線流向靜止線的耦合噪聲只在電壓或電流變化的區(qū)域在任一時(shí)刻,流過互容的總電流為：〔5-5其中,V為信號(hào)的電壓；Cm為信號(hào)上升時(shí)間段耦合的互容〔5-6其中,CmL為單位長(zhǎng)度的互容；v是信號(hào)傳播的速率；RT為信號(hào)的上升時(shí)間同時(shí),注入到靜止線上的瞬時(shí)容性耦合電流總量為：〔5-7從作用線流入靜止線的容性耦合電流只在作用線上信號(hào)的邊沿處發(fā)生。但是,通過式〔5-7可知,耦合噪聲電流總量與上升時(shí)間無關(guān)。而根據(jù)式〔5-5,上升時(shí)間越快,則變化率dV/dt越大,所以可能認(rèn)為容性耦合電流也越大。但是,上升時(shí)間越快,dV/dt的耦合線區(qū)域越短,并且用來耦合的電容就越小。因此,容性耦合電流只與單位長(zhǎng)度的互容有關(guān)。按照相同的分析,互感感應(yīng)到靜止線上的瞬時(shí)電壓為：〔5-8其中,LmL為單位長(zhǎng)度的互感；I為作用線上的信號(hào)電流同樣可見,只在作用線上電壓發(fā)生變化的地方,才有感性耦合噪聲耦合到靜止線上。靜止線上產(chǎn)生電壓噪聲的值與信號(hào)的上升時(shí)間無關(guān),只取決于單位長(zhǎng)度的互感。靜止線上的耦合噪聲有四個(gè)重要的特性：1．瞬時(shí)耦合電壓噪聲值和電流噪聲值依賴于信號(hào)的強(qiáng)度。信號(hào)強(qiáng)度越大,瞬時(shí)耦合噪聲值就越大。2．瞬時(shí)耦合電壓噪聲值和電流噪聲值依賴于單位長(zhǎng)度互容和單位長(zhǎng)度互感為度量的單位長(zhǎng)度耦合量。當(dāng)導(dǎo)線間的間距減小,單位長(zhǎng)度耦合增加,則瞬時(shí)耦合噪聲也會(huì)增加。3．速率越快,瞬時(shí)耦合的總電流越大。這是由于速率越快,上升時(shí)間的空間延展〔spatialextent就越長(zhǎng),在任一時(shí)刻發(fā)生耦合的區(qū)域也越長(zhǎng)。信號(hào)的速率越大,電流流經(jīng)的耦合長(zhǎng)度增加,靜止線上電流的密度保持不變。4．信號(hào)的上升時(shí)間不會(huì)影響總的瞬時(shí)耦合噪聲電流或電壓。上升時(shí)間越短,將會(huì)使單個(gè)互容和互感元件的耦合噪聲增加。并且上升時(shí)間越短,信號(hào)沿的空間延展也越短,在任一時(shí)刻發(fā)生耦合的總互感和總互容也越小。串?dāng)_機(jī)理分析5.2.1串?dāng)_引起的噪聲前面已經(jīng)闡述過了,串?dāng)_是由于臨近兩導(dǎo)體之間的互容和互感所引起的。因而在臨近傳輸線上引起的感應(yīng)噪聲的大小和他們之間的互感和互容大小都有關(guān)系。例如,如果一信號(hào)進(jìn)入傳輸線1<如圖5-7>,由于互感Lm和互容Cm的作用,將在傳輸線2上產(chǎn)生一電流。由互容引起的電流分別向受侵害線的兩個(gè)方向流動(dòng),而由互感引起的電流從受侵害線的遠(yuǎn)端流向近端,這是因?yàn)榛ジ挟a(chǎn)生的電流總是與侵害線中的電流相反。所以,從受侵害線近端到遠(yuǎn)端的串?dāng)_電流由很多部分組成〔見圖5-7。圖5-7互容互感引起的串?dāng)_電流示意圖〔5-9<5-10>受侵害線上近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_噪聲的波形可以從圖5-8看出,當(dāng)一個(gè)數(shù)字脈沖進(jìn)入傳輸線,它的上升沿和下降沿將不斷地在受侵害線上感應(yīng)出噪聲,在這里的討論中,我們假設(shè)信號(hào)上升沿或者下降沿的變化速度非?？?遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳輸線延遲。則根據(jù)前面的描述,一部分串?dāng)_噪聲將傳向近端,另一部分將傳向遠(yuǎn)端,也就是我們所定義的近端串?dāng)_脈沖和遠(yuǎn)端串?dāng)_脈沖。如圖5-8,遠(yuǎn)端串?dāng)_脈沖將和侵害線上的信號(hào)同步流向終端,而近端串?dāng)_脈沖將起始于侵害線上信號(hào)變化沿出現(xiàn)時(shí)刻,并流向近端。這樣,當(dāng)驅(qū)動(dòng)線上的信號(hào)變化沿在時(shí)間t＝TD〔這里TD是信號(hào)在傳輸線上的延遲時(shí)間>到達(dá)傳輸線遠(yuǎn)端時(shí),如果遠(yuǎn)端存在匹配,那么,侵害信號(hào)和遠(yuǎn)端串?dāng)_將在遠(yuǎn)端被匹配消除。同時(shí),侵害信號(hào)的變化沿在被終端匹配消除前產(chǎn)生的最后一部分近端串?dāng)_信號(hào)將在t=2TD時(shí)才到達(dá)近端,這是因?yàn)?這部分信號(hào)又要經(jīng)過整條傳輸線才能被傳回近端。所以,對(duì)于一對(duì)被終端匹配好的傳輸線來說,近端串?dāng)_起始于t=0并且持2TD的時(shí)間,或者說兩倍于傳輸線的電氣長(zhǎng)度。相反,受侵害線遠(yuǎn)端接收到的遠(yuǎn)端串?dāng)_起始于TD,持續(xù)時(shí)間為數(shù)字信號(hào)的上升或者下降時(shí)間。圖5-8串?dāng)_噪聲示意圖串?dāng)_噪聲的大小和形狀很大程度上取決于耦合的大小與端接的情況。圖5-9給出的等式和插圖詳細(xì)地描述了一條安靜的受侵害線上由于串?dāng)_而得到的最大電壓的狀況。這里假設(shè)了受侵害線上存在多種端接策略,驅(qū)動(dòng)線上也使用了端接來消除反射,使問題簡(jiǎn)化。這些等式主要是用來估計(jì)串?dāng)_的幅度,并使讀者了解特殊的端接策略對(duì)噪聲幅度的影響。當(dāng)圖5-17中所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜時(shí),則必須采用類似SPICE的工具來進(jìn)行仿真。圖5-9各種匹配情況下的串?dāng)_反射示意圖圖5-9中假設(shè)了信號(hào)在傳輸線上的傳輸時(shí)間為兩倍上升時(shí)間：<5-11>在這里,X是指?jìng)鬏斁€長(zhǎng)度,L和C是指單位長(zhǎng)度傳輸線本身的電感和電容,注意：如果〔例如,邊沿變化率大于兩倍的傳輸線延遲,近端串?dāng)_將不能到達(dá)其最大振幅,為了正確計(jì)算時(shí)的串?dāng)_電壓,近端串?dāng)_只須乘以即可,而遠(yuǎn)端串?dāng)_不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)度變化而改變。需要注意的是：當(dāng)上升時(shí)間小于傳輸線時(shí)延時(shí)〔長(zhǎng)線情況,近端串?dāng)_的最大幅值和信號(hào)上升時(shí)間沒有什么關(guān)系,而當(dāng)上升時(shí)間大于傳輸線時(shí)延的時(shí)候〔短線情況,近端串?dāng)_的大小和信號(hào)上升時(shí)間有一定關(guān)系。因?yàn)檫@個(gè)原因,定義長(zhǎng)傳輸線的標(biāo)準(zhǔn)為傳輸線的電氣時(shí)延必須大于信號(hào)的1/2上升時(shí)間〔或下降時(shí)間,這時(shí)可以得到,近端串?dāng)_的幅度與線長(zhǎng)無關(guān)〔即前向串?dāng)_的飽和,而遠(yuǎn)端串?dāng)_則總是取決于上升時(shí)間和線長(zhǎng)。應(yīng)該指出的是圖5-9中的公式假設(shè)了受侵害線上的終端電阻與傳輸線完全匹配,消除了不完全匹配的影響。為了重現(xiàn)這些影響,可以使用反射概念來分析。例如,假設(shè)圖5-17中第一種情況的終端匹配電阻R并不等于受侵害線的傳輸線阻抗〔為了簡(jiǎn)單起見,在這里假設(shè)了侵害線的匹配完全,此種情況下,近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_值就必須加上各自的串?dāng)_反射電壓。所以,在不完全匹配系統(tǒng)中,串?dāng)_信號(hào)的計(jì)算公式為：<5-12>在這里,Vx為不完全匹配情況下調(diào)整后的近端或遠(yuǎn)端串?dāng)_值,R就是終端匹配電阻,Zo為傳輸線特性阻抗,Vcrosstalk是通過圖5-9計(jì)算出來的串?dāng)_值。注：如果信號(hào)的上升或者下降時(shí)間小于傳輸線延遲,那么近端串?dāng)_最大幅值與上升時(shí)間無關(guān)。如果信號(hào)的上升或下降時(shí)間長(zhǎng)于傳輸線延遲,那么近端串?dāng)_的大小與上升時(shí)間有關(guān)。遠(yuǎn)端串?dāng)_在任何情況下都和信號(hào)的上升或者下降時(shí)間有關(guān)。5.2.2容性耦合與感性耦合串?dāng)_是由電磁耦合形成的,電磁耦合又可為容性耦合和感性耦合兩種。因此,當(dāng)信號(hào)在通過一導(dǎo)體傳輸線時(shí)會(huì)通過兩種方式將能量耦合到相鄰的傳輸線導(dǎo)體上,即容性耦合與感性耦合。為了了解形成遠(yuǎn)端特征和近端特征的根源,我們首先研究容性耦合電流在導(dǎo)線兩端的行為,然后研究感性耦合電流并把這二者相加。1容性耦合電流圖5-10所示是重新構(gòu)建的僅含互容元件的等效電路模型。在該例中,假設(shè)耦合的長(zhǎng)度大于飽和長(zhǎng)度。我們把上升邊沿看作是動(dòng)態(tài)線移動(dòng)的電流源,所以僅在信號(hào)前沿存在的區(qū)域,才有容性耦合的電流流入靜止線。圖5-10只有耦合電容的耦合傳輸線等效電路模型決定電流方向的主要因素是噪聲電流所遇到的阻抗。靜止線上的噪聲電流所碰到的阻抗相同,均為50歐姆,則噪聲電流在前向和后向的電流量將相等。靜止線上電容耦合電流環(huán)路的方向是從信號(hào)線到返回路徑。信號(hào)線與返回路徑間的正向電壓將沿著兩個(gè)方向傳播。當(dāng)信號(hào)最初出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)端時(shí),就有一些容性耦合電流流入靜止線上。一半電流向后流回近端,另一半向前流動(dòng)。流過靜止線近端的端接電阻的電流是正方向,即從信路徑流回返回路徑。當(dāng)信號(hào)上升沿在驅(qū)動(dòng)端出現(xiàn),近端噪聲的電壓值從0V開始逐步上升。隨著信號(hào)沿沿著傳輸線傳播,后向的容性耦合噪聲電流以恒定的速率持續(xù)流回到近端。當(dāng)前沿傳輸了一個(gè)飽和長(zhǎng)度后,近端的電流將達(dá)到一個(gè)恒定的值。在作用線上的信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端端接的電阻之后,就沒有耦合噪聲電流。但是靜止線上仍然有后向電流流向靜止線的近端,這段額外時(shí)間等于時(shí)延TD。近端信號(hào),容性耦合電流在上升時(shí)間到達(dá)一個(gè)恒定的值,并且保持該恒定的值,持續(xù)2×TD的時(shí)間,然后下降到0。如圖5-11所示。圖5-11通過端接電阻,靜止線近端的容性耦合噪聲近端容性耦合電流的飽和值為：〔5-13其中,IC是容性耦合的,靜止線近端的飽和噪聲電流；CmL是單位長(zhǎng)度的互容；v是信號(hào)傳播速率；V是信號(hào)電壓；1/2factor是一半的電流流入近端,另一半流入遠(yuǎn)端；1/2factor是2×TD的后向噪聲因?yàn)榈竭_(dá)靜止線的容性耦合電流與dV/dt成比例,實(shí)際到達(dá)靜止線上的遠(yuǎn)端噪聲,是信號(hào)沿的導(dǎo)數(shù)。如果信號(hào)沿是線性斜率,容性耦合噪聲電流將是短的矩形脈沖,短脈沖持續(xù)時(shí)間與上升時(shí)間相等。在遠(yuǎn)端感應(yīng)的容性噪聲信號(hào)如圖5-12所示。圖5-12通過端接電阻,靜止線遠(yuǎn)端的容性耦合噪聲從作用線耦合到靜止線上的電流的總值集中在這個(gè)短脈沖,電流脈沖的幅值,通過端接電阻,轉(zhuǎn)換為電壓?！?-14其中,IC是從作用線耦合到靜止線的電流的總和；1/2factor是流向遠(yuǎn)端的容性電流的一部分；CmL是單位長(zhǎng)度下的互容；RT是信號(hào)的上升時(shí)間；V是信號(hào)的電壓該式說明了遠(yuǎn)端容性耦合電流的幅值與單位長(zhǎng)度的互容,走線的耦合長(zhǎng)度成正比,與上升時(shí)間RT成反比。上升時(shí)間越短,遠(yuǎn)端噪聲電流就越大。與近端的情況不同,遠(yuǎn)端接受的噪聲幅值與耦合區(qū)域的長(zhǎng)度成正比,與上升時(shí)間成反比,在遠(yuǎn)端,容性耦合的電流方向是正方向,即從信號(hào)線到返回路徑,因此通過端接電阻產(chǎn)生正的電壓。2感性耦合電流感性耦合電流與容性耦合電流的行為是相似的。這些電流通過互感,由作用線上的dI/dt驅(qū)動(dòng),在靜止線上產(chǎn)生電壓,進(jìn)而形成感性耦合電流。作用線上電流的變化是從信號(hào)路徑到返回路徑,沿著傳輸線傳播。這個(gè)電流回路在靜止線上感應(yīng)出一個(gè)電流回路。靜止線上電流回路的方向與感應(yīng)的電流回路的方向相反。靜止線上感應(yīng)的電流回路的方向是從返回路徑到信號(hào)路徑。如圖5-13所示。作用線上的dI/dt在靜止線上感應(yīng)出電壓,反過來在靜止線上產(chǎn)生dI/dt,感應(yīng)的電流將沿著靜止線的兩個(gè)方向傳播。圖5-13作用線對(duì)靜止線感應(yīng)的感性電流示意圖一旦靜止線上感應(yīng)出電流,遇到相同的阻抗,則在靜止線沿兩個(gè)方向傳播的感應(yīng)電流的幅值相同。后向的感性耦合電流與容性耦合電流的幅值相同,當(dāng)驅(qū)動(dòng)端出現(xiàn)信號(hào),它從0開始上升。當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間的延展比飽和長(zhǎng)度長(zhǎng),后向電流將達(dá)到一個(gè)恒定的值,并保持這一水平。當(dāng)作用線信號(hào)的上升沿到達(dá)遠(yuǎn)端的端接電阻,在靜止線上仍然有后向感性耦合噪聲電流。向前和向后的電流噪聲如圖5-14所示。圖5-14信號(hào)在作用線上傳播時(shí),感應(yīng)的向前和向后的感性電流回路前向移動(dòng)時(shí),感性耦合電流與作用線信號(hào)邊沿的傳播速率相同,而且在每一步,將會(huì)耦合出越來越多的噪聲電流,所以遠(yuǎn)端噪聲隨著耦合長(zhǎng)度的增加而增加。遠(yuǎn)端的感性耦合電流的形式是上升時(shí)間的導(dǎo)數(shù),它與信號(hào)的dI/dt成正比。遠(yuǎn)端感性耦合電流的方向是從返回路徑到信號(hào)線,與容性耦合電流的方向相反。因此,在遠(yuǎn)端,容性耦合噪聲與感性耦合噪聲的方向是相反的,凈噪聲將是二者之差。5.2.3近端串?dāng)_與遠(yuǎn)端串?dāng)_1.近端串?dāng)_近端串?dāng)_<Near-endcrosstalk>：指干擾源對(duì)犧牲源的發(fā)送端產(chǎn)生的第一次干擾,也稱為后向串?dāng)_〔ForwardCrosstalk。近端噪聲電壓與通過近端端接電阻的耦合電流有關(guān),近端噪聲有四個(gè)重要的特性：1．如果耦合長(zhǎng)度大于飽和長(zhǎng)度,噪聲電壓將達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的值。這個(gè)最大電壓幅度被定義為近端串?dāng)_值〔NEXT,如果作用線上的電壓為Va,靜止線上最大后〔項(xiàng)向電壓為Vb,NEXT=Vb/Va,這個(gè)值也被稱為近端串?dāng)_系數(shù)：〔5-152．如果耦合長(zhǎng)度比飽和長(zhǎng)度短,電壓峰值將小于NEXT,實(shí)際的噪聲電平是峰值乘以實(shí)際耦合長(zhǎng)度與飽和長(zhǎng)度的比值。例如：飽和長(zhǎng)度是6in,上升時(shí)間為1ns,耦合長(zhǎng)度是4in,近端噪聲是Vb/Va=NEXT×4in/6in=NEXT×0.66。圖5-15所示就是耦合長(zhǎng)度為飽和長(zhǎng)度的20％到飽和長(zhǎng)度的2倍時(shí),近端噪聲的電壓電平。圖5-15耦合長(zhǎng)度變化時(shí)的近端串?dāng)_電壓3．近端噪聲的持續(xù)時(shí)間為2TD。4．近端噪聲的出現(xiàn)與信號(hào)的上升時(shí)間有關(guān)。對(duì)于近端串?dāng)_,Vb與干擾源信號(hào)的傳輸方向相反,隨著干擾線上的脈沖信號(hào)不斷向遠(yuǎn)端傳輸,串?dāng)_電壓最后在近端疊加,得到的是一個(gè)連續(xù)的、低電平、寬脈沖信號(hào)。當(dāng)TD＞RT/2時(shí),該脈沖的寬度為2TD,它與干擾源信號(hào)的脈沖沿?zé)o關(guān)。<TD為傳輸線總延時(shí),RT為信號(hào)的上升時(shí)間>當(dāng)信號(hào)為線性斜率時(shí),近端串?dāng)_電壓如圖5-16所示。圖5-16信號(hào)是線性傾斜時(shí),近端串?dāng)_電壓的特征NEXT的幅值依賴于互感和互容。由下式?jīng)Q定：〔5-16其中,NEXT為近端串?dāng)_系數(shù)；Vb為靜止線上后向的電壓噪聲；Va為作用線上的信號(hào)電壓；CmL、LmL為單位長(zhǎng)度的互容和互感；CL、LL為單位長(zhǎng)度的電容和電感當(dāng)兩條傳輸線間距減小時(shí),互容和互感將增加,NEXT也將增加。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì),在噪聲預(yù)算中允許的最大串?dāng)_大約為信號(hào)擺幅的5％。如果靜態(tài)線是總線的一部分,則靜態(tài)線近端噪聲可能會(huì)提高到一般情況下的2.1倍。這是靜止線兩邊的相鄰導(dǎo)線和較遠(yuǎn)導(dǎo)線產(chǎn)生的耦合噪聲之和。對(duì)近端串?dāng)_估計(jì)出一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則,兩線的間距應(yīng)該保證使相鄰走線間的近端噪聲要少于5%/2.1=2%。要達(dá)到這個(gè)要求,信號(hào)走線之間的間距要至少是2倍的線寬。如果相鄰信號(hào)線間的間距大于2倍的線寬,最大的近端串?dāng)_噪聲將小于2％的信號(hào)擺幅。圖5-17總結(jié)了在帶狀線和微帶線中,間距分別為1倍線寬,2倍線寬,3倍線寬下的耦合。圖5-17對(duì)于微帶線和帶狀線,幾個(gè)特殊間距下的近端串?dāng)_系數(shù)2.遠(yuǎn)端串?dāng)_遠(yuǎn)端串?dāng)_<Far-endcrosstalk>：指干擾源對(duì)犧牲源的接收端產(chǎn)生的第一次干擾,也稱為前向串?dāng)_〔ForwardCrosstalk。遠(yuǎn)端噪聲電壓與通過遠(yuǎn)端端接電阻的耦合電流有關(guān)。遠(yuǎn)端噪聲的四個(gè)重要特性：遠(yuǎn)端噪聲起始于TD時(shí)刻,沿著靜止線向遠(yuǎn)端傳播的噪聲與信號(hào)具有相同的速率。遠(yuǎn)端噪聲是作為脈沖出現(xiàn)的,是信號(hào)的導(dǎo)數(shù)。耦合電流通過dV/dt,dI/dt產(chǎn)生。靜止線上產(chǎn)生的串?dāng)_脈沖將和作用線上的信號(hào)同步流向終端。圖5-18所示了不同上升時(shí)間下,遠(yuǎn)端噪聲的值。當(dāng)上升時(shí)間減小時(shí),遠(yuǎn)端噪聲脈沖寬度降低,峰值增加。線寬和間距均為5mil,50歐姆的微帶傳輸線,FR4為材料。圖5-18不同上升時(shí)間下的遠(yuǎn)端串?dāng)_情況遠(yuǎn)端串?dāng)_的峰值與耦合長(zhǎng)度成比例,增加耦合長(zhǎng)度,峰值也增加。FEXT系數(shù)是對(duì)遠(yuǎn)端噪聲峰值電壓與信號(hào)電壓比值的直接測(cè)量,FEXT的值如下式：〔5-17其中,Vf為靜止線上的遠(yuǎn)端電壓；Va為信號(hào)線上的電壓；CmL,LmL是單位長(zhǎng)度下的互容和互感；CL,LL是信號(hào)線單位長(zhǎng)度的電容和電感；Len是兩線間耦合區(qū)域的長(zhǎng)度；kf是遠(yuǎn)端耦合系數(shù)對(duì)于遠(yuǎn)端串?dāng)_,被干擾線上第一次產(chǎn)生的Vf沿著與干擾源信號(hào)相同的傳輸方向從近端<NearEnd>經(jīng)過TD<傳輸線總延時(shí)>到達(dá)遠(yuǎn)端<FarEnd>,傳輸速率也和干擾源的相同。隨著干擾線上的脈沖信號(hào)不斷向負(fù)載端<LoadEnd>傳輸,被干擾線上的串?dāng)_點(diǎn)也在不斷向遠(yuǎn)端靠近,而所有Vf都在同一時(shí)刻TD到達(dá)遠(yuǎn)端。疊加的效果就是一個(gè)幅度很大的脈沖,脈沖的寬度為Tr,幅度與信號(hào)變化斜率、互容Cm及傳輸線的長(zhǎng)度都有關(guān)系。如果干擾源信號(hào)是從低到高變化,遠(yuǎn)端串?dāng)_電壓是一個(gè)正的脈沖尖峰；如果干擾源信號(hào)是從高到低變化,遠(yuǎn)端串?dāng)_電壓是一個(gè)負(fù)的脈沖尖峰。當(dāng)信號(hào)是線性斜率時(shí),遠(yuǎn)端串?dāng)_電壓噪聲如圖5-19所示：圖5-19遠(yuǎn)端噪聲電壓減小遠(yuǎn)端噪聲的四種方法：增加信號(hào)走線的間距。將間距從1倍線寬增加到3倍線寬,將使遠(yuǎn)端噪聲減小65%。減少耦合長(zhǎng)度。遠(yuǎn)端噪聲的總值與耦合長(zhǎng)度成比例。在走線表面的頂層增加電介質(zhì)材料。當(dāng)不能減小耦合長(zhǎng)度,在走線的頂層增加電介質(zhì)來減小遠(yuǎn)端噪聲是可行的方法。在走線上增加電介質(zhì)同時(shí)也會(huì)增加近端噪聲,并減小走線的特性阻抗。因此,必須小心考慮。對(duì)敏感線采用帶狀線來布線。減小串?dāng)_的一種方法就是將走線間的間距增大。保證間距是線寬的2倍,將確保串?dāng)_的最差情況少于5%。采用保護(hù)線將明顯的減小串?dāng)_,這就需要正確的設(shè)計(jì)及布局。5.2.41差模與共模的概念當(dāng)多根傳輸線相互之間靠得很近的時(shí)候,傳輸線之間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)將以各種特殊的方式互相作用,傳輸線上的信號(hào)狀態(tài)決定了這種特殊方式。這種相互作用的重要性在于能改變傳輸線等效的特性阻抗和傳輸速率。特別是當(dāng)很多非?？拷膫鬏斁€同時(shí)開關(guān)時(shí),這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重,它能使總線出現(xiàn)阻抗和延遲過于依賴數(shù)據(jù)模式的現(xiàn)象,從而影響總線的性能。因此,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮到這些方面的影響。差模是指當(dāng)兩根耦合的傳輸線相互之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值相同但相位相差180度的時(shí)候,就是一個(gè)差模傳輸?shù)哪Ｐ汀＿@種情況下,傳輸線的等效電容因?yàn)榛ト莸募颖抖黾?但是等效電感因?yàn)榛ジ械臏p小而變小。共模是指當(dāng)兩條耦合傳輸線上驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度與相位都相同時(shí),就是一個(gè)共模傳輸模式。這種情況下,傳輸線的等效電容將隨著互容的減少而減少,同時(shí)等效電感卻因?yàn)榛ジ械脑黾佣黾?。先討論電?chǎng)分布情況,由于電流方向相反,兩根傳輸線相當(dāng)于兩個(gè)不同極性的電容板,很多電力線由一方出發(fā),終止于另一方,而同向電流的傳輸線之間的電力線則相互排斥,都終止于地。顯而易見,差模的情況下,傳輸線之間的電場(chǎng)耦合的較多,即互容的影響較大,而共模的時(shí)候,互容作用比較小。從磁場(chǎng)分布情況來看,電流相同的時(shí)候,相互耦合的磁力線多,也就是互感的影響比較大,而電流相反的時(shí)候,磁場(chǎng)相互影響較小,互感較弱。對(duì)于差模和共模情況下的感性和容性耦合情況,有這樣的公式：電流異向的時(shí)候:〔5-18電流同向的時(shí)候：〔5-192、差模在差模傳輸中,線上電流I1和I2大小相同,極性相反。如圖5-20所示:圖5-20差模和共模情況下用于推導(dǎo)阻抗和速度變化的等效電路圖首先,讓我們先來考慮互感的影響。如圖5-21所示,假設(shè)L11=L22=L0,計(jì)算出由于電感耦合產(chǎn)生的電壓,代入基爾霍夫電壓準(zhǔn)則,得到下面的結(jié)果：〔5-20〔5-21圖5-21推導(dǎo)差模等效電感的簡(jiǎn)化電路模型由于差模情況下的信號(hào)極性總是相反,可以將I1=-I2與V1=-V2帶入,即得:〔5-22〔5-23這樣,在以差模形式進(jìn)行傳輸?shù)囊粚?duì)耦合傳輸線中,從線1上觀察到的等效電感為：〔5-24圖5-22推導(dǎo)差模等效電容的等效電路圖同樣,互容的影響也可以被推導(dǎo),參考圖5-22,假設(shè),在點(diǎn)V1與V2處運(yùn)用基爾霍夫電流法則,得：〔5-25〔5-26對(duì)于差模情況,可以I1=－I2和V1=－V2代入上式得：〔5-27〔5-28所以,在以差模形式傳輸?shù)囊粚?duì)耦合傳輸線中,從線1上觀察到的等效電容為：〔5-293、共模當(dāng)兩條耦合傳輸線上驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度與相位都相同時(shí),稱為共模傳輸模式。此時(shí),傳輸線的等效電容將隨著互容的減少而減少,同時(shí)等效電感卻因?yàn)榛ジ械脑黾佣黾?。為了得出共模傳輸?duì)兩相鄰傳輸線的特性阻抗和傳輸速率的影響,請(qǐng)參考圖5-20。在共模傳輸中,電流I1和I2大小相同且同向傳輸。首先,讓我們先考慮對(duì)互感的影響,再次參考圖5-21,用于差模開關(guān)的分析方法同樣可以用來決定共模情形下的有效電容和電感。對(duì)于共模傳輸,將I1=I2和V1=V2帶入公式5-20和5-21中得到：〔5-30〔5-31所以,在一對(duì)以共模形式傳輸?shù)鸟詈蟼鬏斁€中,傳輸線1上呈現(xiàn)的等效電感為：〔5-32同樣可以推導(dǎo)出互容帶來的影響,再次參考圖5-22,對(duì)于共模傳輸來說,將I1=I2和V1=V2帶入等式5-25與5-26中得：〔5-33〔5-34所以一對(duì)耦合共模傳輸線中線1上呈現(xiàn)的等效電容為：〔5-35那么,就可以計(jì)算出耦合雙線系統(tǒng)的共模傳輸特性：〔5-36〔5-37圖5-23描述了在簡(jiǎn)單的兩傳輸線系統(tǒng)中,差模和共模情況下的電磁場(chǎng)分布。磁力線和電力線總是正交的〔TEM模型。注意在共模傳輸情況下,兩導(dǎo)體上的電勢(shì)相同,所以兩傳輸線之間沒有電壓差,這就是說線間沒有電容的影響存在,這樣就很容易記住,在共模情況下,要從傳輸線的電容中減去互容值。而在差模情況下,由于兩導(dǎo)體之間一直存在電位差,所以,兩傳輸線之間電容的影響就一定存在,這樣也很容易記住,在差模情況下,傳輸線間的互容值要被加上了。圖5-23兩簡(jiǎn)單耦合傳輸線系統(tǒng)中共模和差模情況下的電磁場(chǎng)分布圖5-24表明了差模與共模帶來的阻抗和傳播速率的變化是如何影響信號(hào)傳輸?shù)?。雖然在這個(gè)例子中只有三根傳輸線,但是仿真結(jié)果給出了計(jì)算機(jī)總線中處于其他線之間的信號(hào)線受到的串?dāng)_的影響。該圖顯示了串?dāng)_將會(huì)給信號(hào)完整性和速度〔假設(shè)為微帶線帶來嚴(yán)重的影響,并且這種影響將隨開關(guān)模式變化的變化。由于信號(hào)完整性直接依賴于源端和傳輸線的阻抗,所以耦合程度和開關(guān)模式將在很大程度上影響系統(tǒng)性能,這些影響歸根到底是由線的等效特征阻抗變化引起的。而且,如果傳輸線為微帶線,傳輸速率也會(huì)改變,從而影響了傳輸線〔特別是長(zhǎng)傳輸線時(shí)序的正確性。由于串?dāng)_的主要影響來自于與之相鄰的傳輸線的影響,所以在實(shí)際仿真中使用三根傳輸線來進(jìn)行分析已基本能正確的反映串?dāng)_對(duì)系統(tǒng)性能的影響。圖5-24開關(guān)模式對(duì)三導(dǎo)線系統(tǒng)的影響在差?；蛘吖材鬏斨?傳輸線的互感的增減正好和互容相反。這些能在圖5-34的場(chǎng)示意圖中被清楚地看見。例如,在差模傳輸中,由于導(dǎo)體間存在電位差,互容的影響必須被加上,而另一方面,因?yàn)閮蓷l導(dǎo)線中的電流總是按相反方向流動(dòng),由于磁場(chǎng)在每條線上耦合出來的電流總是彼此相反,這樣就抵消掉了互感的影響。所以,在計(jì)算差模特性時(shí),互感必須被減去,互容必須被加上。共模和差模的這些傳輸特性計(jì)算是基于一種假設(shè)的前提下,即信號(hào)僅僅以TEM模式〔橫向電磁進(jìn)行傳播,也就是說：電場(chǎng)和磁場(chǎng)在任何時(shí)候都彼此正交。TEM模式假設(shè)的條件下,在介質(zhì)均勻的系統(tǒng)中〔即電磁場(chǎng)處于同一介質(zhì)中,L與C的積保持不變。所以,在處于同類介質(zhì)的多導(dǎo)體系統(tǒng)中,比如帶狀線陣列,如果L由于互感而增加,那么C必定由于互容而減少,以保證LC乘積不變。因而,處在同一介質(zhì)中的帶狀線或者埋式微帶線的傳輸速度將不會(huì)隨著不同的開關(guān)模式而變化。當(dāng)然,它的等效阻抗仍然會(huì)改變。在非均勻系統(tǒng)中〔指電磁場(chǎng)分布在不同的電介質(zhì)材料中,比如微帶線陣列,在不同的傳輸模式中,LC值就不能保持常數(shù),這是因?yàn)閭鬏斝盘?hào)的電磁場(chǎng)分布在空氣與板子的介質(zhì)中。在微帶線系統(tǒng)中,系統(tǒng)的等效介電常數(shù)為空氣和板上介質(zhì)的介電常數(shù)的加權(quán)平均值,因?yàn)閳?chǎng)的模式隨著不同的傳輸模式而改變,有效介電常數(shù)將根據(jù)包含在板上介質(zhì)材料和空氣中的場(chǎng)密度的改變而改變,這樣LC乘積在非均勻系統(tǒng)中是可變的。然而對(duì)于一種給定的模式,LC積將保持常數(shù)。所以,微帶線的傳輸速度和阻抗都會(huì)因?yàn)閭鬏斈Ｊ胶托盘?hào)變化而改變。4差模與共模傳輸線的匹配在通常的大多數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),經(jīng)常需要謹(jǐn)慎地將所有線間的耦合減至最小。但是在某些設(shè)計(jì)中,這卻沒有必要,或者兩條傳輸線之間的高度耦合還會(huì)給我們帶來益處。系統(tǒng)的時(shí)鐘或信號(hào)以差分形式傳送的時(shí)候,兩條傳輸線之間存在很大的耦合是有益的。一對(duì)差分線包含兩條緊密耦合的傳輸線,它們以差分形式傳輸,接受電路由差分或者單端緩沖器構(gòu)成。差分接受器的輸入端通常包含一對(duì)差分觸發(fā)器,并在兩個(gè)信號(hào)交點(diǎn)處,即兩信號(hào)之間的幅度差值為零的時(shí)候觸發(fā)。差分線對(duì)信號(hào)傳輸有益主要是因?yàn)樗葐胃鶄鬏斁€具備更好的信號(hào)完整性,對(duì)噪聲有更強(qiáng)的免疫力,以及能大大降低電磁輻射〔EMI?！?Pi型匹配網(wǎng)絡(luò)一種在差模和共模情況下都能很好匹配一對(duì)耦合傳輸線并防止反射的辦法是使用Pi型網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)特殊的匹配方案對(duì)差分接受器非常有用。參照?qǐng)D5-25,電阻R1,R2,和R3必須進(jìn)行合適地選擇以匹配共模和差模時(shí)的傳輸。首先,我們考慮共模情況,當(dāng)V1=V2=Ve時(shí),由于點(diǎn)1和點(diǎn)2處的電壓差總是相等,故兩點(diǎn)間沒有電流流過。所以,R1與R2必須等于共模阻抗值。而R3數(shù)值的決定,必須考慮到差模傳輸。由于V1和V2在差模情況下總是數(shù)值相等,極性相反<V1=-V2=V0>,R3可以分為兩串聯(lián)電阻,每個(gè)值等于R3.在差模傳輸過程中,兩串聯(lián)電阻中間變成一個(gè)虛擬的交流〔AC地。參考圖5-26,它給出了差模情況下的等效終結(jié)模型。圖5-25耦合傳輸線對(duì)的Pi終端匹配圖5-26差分形式下的等效Pi終端匹配為了理解為什么電阻的中點(diǎn)在差模形式下會(huì)成為AC地,我們可以考慮電阻為一片長(zhǎng)的電阻性材料,假如電阻一端的電壓為-1.0V,而另一端為1.0V,那么電阻中間的電壓值則為0.0V。這就意味著在差模傳輸情況下,每個(gè)信號(hào)使用R3與R1<或R2>并聯(lián)來進(jìn)行匹配。那么一對(duì)緊耦合傳輸線在共模和差模傳輸時(shí)都適用的匹配電阻值為：〔5-38但是必須注意的是,如果一對(duì)傳輸線只處在一種模式〔比如差分時(shí)鐘線下,那么中間的電阻R3就沒有必要使用了?！?T型匹配網(wǎng)絡(luò)另外一個(gè)能夠同時(shí)解決共模和差模匹配的方法是使用T型電阻網(wǎng)絡(luò)。如圖5-27所示：圖5-27耦合傳輸線對(duì)的T型終端匹配圖5-28共模情況下耦合傳輸線對(duì)的等效T型終端匹配這種匹配方式在單端接收器接收差分信號(hào)線時(shí)很有用。首先,讓我們先考慮對(duì)差模的匹配,由于圖中1點(diǎn)和2點(diǎn)處的電壓大小相等,極性相反,我們可以認(rèn)為與R3相連的中心點(diǎn)為ac地。這樣意味著我們可以通過R1與R2來對(duì)差模進(jìn)行匹配。所以,R1與R2的值必須相等并等于差分阻抗。下面,讓我們來考慮共模傳輸情況,通過圖5-28可以看出,這里將R3等效為兩個(gè)阻值為2R3的并聯(lián)。由于在共模情況下,點(diǎn)1、2之間沒有電流流過,那么R1或者R2與2R3的串聯(lián)阻值必須與傳輸線的共模阻抗相等。所以R1,R2,和R3在這個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)中的阻值如下：〔5-39串?dāng)_的仿真分析以圖5-1為例,先來介紹一下串?dāng)_的有關(guān)術(shù)語(yǔ)。圖中如果位于A點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)源稱為干擾源〔Aggressor,則位于D點(diǎn)的接收器稱為被干擾對(duì)象〔Victim,A、B之間的線網(wǎng)稱為干擾源網(wǎng)絡(luò),C、D之間的線網(wǎng)稱為被干擾對(duì)象網(wǎng)絡(luò)；反之,如果位于C點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)源稱為干擾源〔Aggressor,則位于B點(diǎn)的接收器稱為被干擾對(duì)象〔Victim,C、D之間的線網(wǎng)稱為干擾源網(wǎng)絡(luò),A、B之間的線網(wǎng)稱為被干擾對(duì)象網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)干擾源狀態(tài)變化時(shí),會(huì)在被干擾對(duì)象上產(chǎn)生一串?dāng)_脈沖,在高速系統(tǒng)中,這種現(xiàn)象很普遍。為方便下面的仿真,我們組成構(gòu)造如下的仿真條件：電路布局布線嚴(yán)格按照?qǐng)D13中兩線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),設(shè)兩線的線寬均為W,兩線的線間距為P,而兩線的平行長(zhǎng)度為L(zhǎng),如不特殊說明,W、P和L的取值分別為W=5mils,P=5mils,L=1.3inches,兩線均為頂層微帶傳輸線。PCB板的參數(shù)設(shè)置為：電介質(zhì)介電常數(shù)εr為4.5,為8層板〔4個(gè)信號(hào)層和4個(gè)電源層,8層板的順序?yàn)椋?層頂層信號(hào)層,2層電源層〔GROUND,3層中間信號(hào)層,4層電源層〔VCC,5層電源層〔GROUND,6層中間信號(hào)層,7層電源層〔VCC,8層底層信號(hào)層。各層之間的電介質(zhì)厚度均為7.2mil。信號(hào)驅(qū)動(dòng)器和接收器均使用標(biāo)準(zhǔn)TTL工藝器件的IBIS模型。以下仿真將AB線網(wǎng)看作干擾源網(wǎng)絡(luò),其信號(hào)頻率為f1,而將CD線網(wǎng)看作被干擾對(duì)象網(wǎng)絡(luò),其信號(hào)頻率為f2,f1和f2的缺省頻率均為20MHz?！?電流流向?qū)Υ當(dāng)_的影響串?dāng)_是與方向有關(guān)的,其波形是電流流動(dòng)方向的函數(shù),這里我們作了兩種情況的信號(hào)仿真。第一種情況是干擾源線網(wǎng)與被干擾對(duì)象線網(wǎng)的電流流向相同,第二種情況是干擾源線網(wǎng)與被干擾對(duì)象線網(wǎng)的電流流向相反〔AB線網(wǎng)中的驅(qū)動(dòng)源與負(fù)載互換位置,即位于B點(diǎn)的為驅(qū)動(dòng)源,而位于A點(diǎn)的為負(fù)載。在這兩種情況下,AB和CD線網(wǎng)都加入20MHz的信號(hào),下表1給出了遠(yuǎn)端D點(diǎn)的串?dāng)_峰值,串?dāng)_的波形仿真結(jié)果如圖5-31所示。圖5-31中,左邊圖〔a所示為電流流向?yàn)橥驎r(shí)的串?dāng)_波形,右邊圖〔b所示為電流流向?yàn)榉聪驎r(shí)的串?dāng)_波形,標(biāo)記"1"和標(biāo)記"2"箭頭所指的波形分別為被干擾對(duì)象遠(yuǎn)端D點(diǎn)和近端C點(diǎn)的串?dāng)_信號(hào)波形。表5-1電流流向不同時(shí)遠(yuǎn)端D點(diǎn)的峰值串?dāng)_仿真情況F1〔MHzF2〔MHz遠(yuǎn)端串?dāng)_峰值〔mV電流流向?yàn)橥?020260.7電流流向?yàn)榉聪?020357.4圖5-29改變電流方向的仿真〔采用IS由仿真結(jié)果圖5-29可知,由仿真結(jié)果可知,電流流向?yàn)榉聪驎r(shí)的串?dāng)_〔遠(yuǎn)端串?dāng)_峰值為357.4mV要大于電流流向?yàn)橥驎r(shí)的串?dāng)_〔遠(yuǎn)端串?dāng)_峰值為260.7mV,即圖5-1中AB線網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)源與負(fù)載交換位置后,雖然信號(hào)的頻率沒有改變,但是在被干擾對(duì)象上的串?dāng)_卻加大了。同時(shí)由圖5-1可以看到,當(dāng)改變干擾源信號(hào)線上電流的流動(dòng)方向后,在被干擾對(duì)象上的串?dāng)_極性也改變了。這說明被干擾對(duì)象上的串?dāng)_電壓的大小和極性都是與相應(yīng)干擾源上信號(hào)的電流流向有關(guān)的。另外,我們還發(fā)現(xiàn)在被干擾對(duì)象的負(fù)載端D點(diǎn)的串?dāng)_幅值大于被干擾對(duì)象驅(qū)動(dòng)端C點(diǎn)的串?dāng)_幅值,這說明遠(yuǎn)端串?dāng)_是感應(yīng)耦合累積的結(jié)果,因此一般大于近端串?dāng)_,這也是為什么被干擾對(duì)象線網(wǎng)的遠(yuǎn)端D點(diǎn)通常被作為考察線網(wǎng)峰值串?dāng)_電壓大小的位置,且在串?dāng)_抑制中需要被重點(diǎn)考慮的原因?！?兩線間距P與兩線平行長(zhǎng)度L對(duì)串?dāng)_大小的影響對(duì)于圖5-1所示的兩線系統(tǒng),我們進(jìn)行了三種情況的仿真：第一種情況是在兩線間距和平行長(zhǎng)度不變的條件下,探測(cè)被干擾對(duì)象的串?dāng)_；第二種情況是在兩線平行長(zhǎng)度不變的前提下,將兩線間距增加10mils,然后探測(cè)被干擾對(duì)象的串?dāng)_；第三種情況是在兩線間距不變的條件下,將兩線的平行長(zhǎng)度增加到2.6inches,然后探測(cè)被干擾對(duì)象的串?dāng)_。對(duì)以上三種情況的仿真,線網(wǎng)AB上的信號(hào)頻率均為100MHz。表2為相應(yīng)的仿真條件與被干擾對(duì)象遠(yuǎn)端D點(diǎn)的串?dāng)_峰值,圖5-30為兩線間距P和平行長(zhǎng)度L取不同值時(shí),被干擾對(duì)象網(wǎng)絡(luò)上驅(qū)動(dòng)端與負(fù)載端的串?dāng)_波形。圖中,標(biāo)記"1"箭頭所指的波形為兩線間距P和平行長(zhǎng)度L不變時(shí)所對(duì)應(yīng)的初始條件下的串?dāng)_信號(hào),而標(biāo)記"2"和標(biāo)記"3"箭頭所指的波形分別為兩線平行長(zhǎng)度L不變、間距P增大一倍和兩線間距不變、平行長(zhǎng)度增大一倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的串?dāng)_信號(hào)。表5-2兩線間距P和平行長(zhǎng)度L取不同值時(shí)的峰值串?dāng)_F1<MHz>F2<MHz>L<inch>P<mil>遠(yuǎn)端串?dāng)_峰值<mV>100201.35308.5100201.310195.6100202.65455.9圖5-30兩線間距P與兩線平行長(zhǎng)度L對(duì)串?dāng)_大小的影響〔采用IS由仿真結(jié)果可見,當(dāng)兩線的間距拉大〔P由5mils變?yōu)?0mils時(shí),串?dāng)_明顯地減小了,而當(dāng)兩線的平行長(zhǎng)度加長(zhǎng)〔L由1.3inches變?yōu)?.6inches時(shí),串?dāng)_顯著增大了。由此可知,串?dāng)_電壓的大小與兩線的間距成反比,而與兩線的平行長(zhǎng)度成正比,但卻不是完全的倍數(shù)關(guān)系。在實(shí)際高速電路中進(jìn)行布線時(shí),當(dāng)布線空間較小或布線密度較大時(shí),應(yīng)慎重對(duì)待信號(hào)線之間的串?dāng)_問題,因?yàn)楦哳l信號(hào)線對(duì)與其相鄰的信號(hào)線的串?dāng)_可能會(huì)導(dǎo)致門級(jí)的誤觸發(fā),而這樣的問題在電路調(diào)試的過程中是很難被輕易發(fā)現(xiàn)并妥善解決的。因此,在布線資源允許的條件下,應(yīng)盡可能地拉開線間距〔差分線除外并減小兩根或多根信號(hào)線的平行長(zhǎng)度,必要時(shí)可采用固定最大平行長(zhǎng)度推擠的布線方式〔也稱jog式走線,如圖5-31所示,即對(duì)于平行長(zhǎng)度很長(zhǎng)的兩根信號(hào)線,在布線時(shí)可以間斷式地將間距拉開,這樣既可以節(jié)省緊的布線資源,又可以有效地抑制串?dāng)_。圖5-31能夠減小串?dāng)_的jog走線方式〔3干擾源信號(hào)頻率及上升時(shí)間對(duì)串?dāng)_的影響干擾源信號(hào)的頻率變化會(huì)對(duì)被干擾對(duì)象上的串?dāng)_產(chǎn)生一定的影響,這里對(duì)圖5-1中干擾源網(wǎng)絡(luò)AB上的信號(hào)頻率f1分別取20MHz、50MHz、100MHz、200MHz、300MHz、400MHz、500MHz等頻率值時(shí),被干擾對(duì)象上的串?dāng)_進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果見表3,同時(shí)圖5-32給出了f1分別取20MHz、100MHz、300MHz、500MHz時(shí)的串?dāng)_波形,這4種頻率所對(duì)應(yīng)的波形分別為標(biāo)記"1"、"2"、"3"、"4"箭頭所指的波形。表5-3干擾源信號(hào)頻率取不同值時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值串?dāng)_f12050100200300400500遠(yuǎn)端串?dāng)_峰值〔mV260.7275.7308.5286.2833.11168.11171.7圖5-32干擾源信號(hào)的頻率變化對(duì)串?dāng)_的影響〔采用IS由仿真結(jié)果5-32可見,隨著干擾源信號(hào)頻率的增加,被干擾對(duì)象上的串?dāng)_幅值也隨之增加,當(dāng)干擾源信號(hào)頻率取值為100MHz以上時(shí),峰值串?dāng)_增加得很快,而當(dāng)其頻率為300MHz以上時(shí),被干擾對(duì)象上的串?dāng)_已經(jīng)達(dá)到了無法容忍的程度。這說明被干擾對(duì)象上的串?dāng)_電壓與干擾源信號(hào)的頻率取值成正比,當(dāng)干擾源頻率大于100MHz時(shí),必須采取必要的措施來抑制串?dāng)_。同時(shí),當(dāng)干擾源頻率大到一定程度時(shí),即當(dāng)對(duì)應(yīng)的干擾源頻率為500MHz,可以明顯看出被干擾對(duì)象的近端C點(diǎn)的串?dāng)_已經(jīng)大于其遠(yuǎn)端D點(diǎn)的串?dāng)_,這說明此時(shí)容性耦合已經(jīng)超過感性耦合而成為主要的干擾因素,這種情況下不但要象通常一樣關(guān)心遠(yuǎn)端串?dāng)_,而且需要謹(jǐn)慎處理經(jīng)常容易被忽略的近端串?dāng)_。由上面的分析仿真可知,干擾源頻率的增加會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_的增加,但這是否就意味著干擾源頻率較低時(shí),它對(duì)被干擾對(duì)象的串?dāng)_影響就較低呢？答案是否定的。因?yàn)榇嬖谥豁?xiàng)容易被忽視的對(duì)串?dāng)_影響極大的因素,它就是干擾源線網(wǎng)中驅(qū)動(dòng)源的上升/下降時(shí)間。圖5-33是對(duì)同一布線結(jié)構(gòu)所