傳輸中的串擾（八）

串擾指的是有害信號從一個線網傳遞到相鄰線網上。通常把噪聲源所在的線網稱為動態線或攻擊線網，而把有噪聲形成的線網稱為靜態線或受害線網。

靜態線上的噪聲電壓的表現與信號電壓完全一樣。一旦在靜態線上產生噪聲電壓，它們就會傳播并在阻抗突變處出現反射。

遠端串擾與近端串擾

靜態線兩端測得的噪聲電壓形式不同，把距離源端最近的一端稱為“近端串擾（NEXT）”，把距離源端最遠端的一端稱為“遠端串擾（FEXT）”。

SPICE電容矩陣與麥克斯電容矩陣

每對導線之間都會有電容，使用下標來進行區分，將導線1與導線2之間的電容記為，導線2和導線4之間的電容記為，信號路徑和返回路徑之間的電容記為或。

所以，為了方便使用將其放入一個矩陣中，為了充分利用矩陣使把信號路徑和返回路徑之間的電容放在對角線上，即用代替。得到如下一個電容矩陣。

對應的具體例子為：

對角線上的電容就為每個傳輸線與返回路徑之間的電容，非對角線元素是耦合電容即為互容。其中對角線的電容值是最大的，而非對角線上的互容會迅速減小，將矩陣做為三維圖為如下：

均勻傳輸線上的串擾和飽和長度

當信號線沿動態線傳播時，正是互容和互感將動態線與靜態相關聯。噪聲電流從動態流到靜態線上的唯一途徑就是通過這些元件，電流流經互容器，或者在互感器中產生感應電流唯一條件就是電壓或電流是否發生變化。

4. 近端串擾

一對耦合傳輸線，耦合區的總時長TD 遠大于信號的上升邊RT。信號從驅動器出發進入耦合區，從攻擊線流入受害線的耦合噪聲開始增大，近端噪聲開始出現并持續增大。只要上升邊更多地進入耦合區，近端噪聲就會持續增大。近端噪聲增大的持續期間等于信號的上升邊。這個期間之后，近端噪聲已經飽和，達到最大值。

當信號的上升邊RT是2xTD時，近端噪聲就會達到飽和，我們稱這個長度為飽和長度，可使用如下公式來計算：

近端串擾的四個重要特征：

如果耦合長度大于飽和長度，則噪聲電壓將達到一個穩定值。這個最大電壓的幅度定義為近端串擾幅值（NEXT），通常表示為靜態線上近端噪聲電壓與動態線上的信號電壓比值。如果動態線上的電壓為，靜態線上的最大后向電壓為，則近端串擾系數為：
如果耦合長度比飽和長度短，則電壓峰值將小于NEXT。實際的噪聲電太峰值與耦合長度和飽和長度的比值成比例。
近端串擾持續的總時間長度是，若耦合區的時延為1ns，則近端噪聲將持續2ns。
近端串擾是由信號的上升邊引起的。

噪聲預算中分配的最大可容許串擾約為信號的擺幅的5% （反射噪聲 5% 電源噪聲5% ，一般信號的噪聲容限設計為電平的15%）。但是由于一般靜態線為總線的一部分，其兩邊都會有動態線，其近端噪聲可能會提高到一般情況下的兩倍。所有需要兩條相鄰導線時近端噪聲應該小于。

經驗法則：對于5mil寬的微帶線和帶狀線，為了使近端噪聲小于2%，最小線間距應約為10mil。

5. 遠端擾串

遠端串擾有以下四個重要特征：

從信號進入算起，一直要經過時延之后才會出現噪聲。噪聲在靜態線上的傳播速度與信號的速度相等。
遠端噪聲以脈沖形式出現，它是信號邊沿的微分。耦合電流是由和產生的，并且在信號沿著攻擊線傳播同時，靜態線上形成的噪聲脈沖也向前傳播。脈沖寬度就是信號的上升邊。隨著上升邊減小，遠端噪聲的脈沖寬度也減小，而峰值增加。
遠端噪聲的峰值與耦合長度成比例。耦合長度增加，噪聲峰值也將增加。
FEXT系數是對遠端噪聲峰值電壓與信號電壓比值的直接測度：。

一般對于遠端噪聲系數使用

經驗法測：如果所有導線周圍的介質材料是同質的，而且是均勻分布的，如兩條耦合的完全嵌入式微帶線或兩條耦合帶狀線，在這種結構中就不會出現遠端串擾。

6. 減小遠端串擾

減小遠端串擾的4個原則如下：

增加信號路徑之間的間距，把線間距從w增加到3w，可以使遠端串擾減小65%。
減小耦合長度。遠端串擾噪聲值與耦合長度成比例，而且在最小線間距情況下為4%，所以如果耦合長度很短，遠端噪聲的幅度就能控制的很小。
在表面層導線的上方加介質材料。當需要表面層布線而且耦合長度不能減小時，在導線上方涂敷介質層可以減小遠端噪聲，如加上一層很厚的阻焊層。但其會降低特性阻抗并增加近端串擾。
將敏感線布成帶狀線。正如帶狀線橫截面結構所示，這些位于埋層內耦合線上的遠端噪聲是最小的。

對于微帶線，遠端串擾噪聲是最主要的噪聲。微帶線是表層走線，當上升邊減小或耦合長度增加時，遠端串擾將增加。

當用微帶走線時，首先要消除遠端噪聲可能會過大的警告提示。對可能的遠端噪聲進行預估，以確信它不會造成什么問題。如果真有問題，則可以加大走線間距，減小耦合長度，涂敷更多的阻焊層，或者用帶狀線去布較長的線。

隨著線間距增大，耦合噪聲迅速下降，如果只考慮相鄰導線的開關，那么即便在最壞的幾何結構下，仍能包括總噪聲值的95%。如果考慮到每邊各有兩條相鄰攻擊線同時開關，也幾乎包括了100%的耦合噪聲。

總線上絕對最差情況約為基本NEXT噪聲水平的2.1倍，如果噪聲預算為受害線網上的串擾分配為5%電壓擺幅，則可容許相鄰線網之間的實際NEXT值為，即NEXT值約為2%。

7. 防護布線

減小串擾的一種方法就是增大線間距。使線間距等于線寬的兩倍，可以保證最壞情況下的串擾小于5%。使用防護布線可以明顯減小串擾。但是只有當設計和配置正確時，這才是有效的。

加大線間距可以得到許多好處，噪聲可以減小到1/4。加入防護布線并使其兩端短路，噪聲就能再減小1/2。如果兩端維持開路，則實際上串擾將增大。

經驗法則：短路過孔應當沿防護布線分布開，在信號上升國的空間延伸里至少有3個過孔。這將保證使遠端噪聲與其反射重疊在一起，從而使防護布一上的噪聲電壓相互抵消。

8. 串擾與介電常數

使用較小的介電常數的材料，可以使布線間距相同時的串擾減小，或者是對于相同的串擾指標，可以使布線間距更小。

9. 串擾與時序

在帶狀線中，受害線上的信號速度與附近任何攻擊線上的信號完全無關，而且串擾對時序也沒有影響。

在微帶線上，串擾和時序之間有著微妙的相互作用。這是由于介質料的不對稱和信號線之間的邊緣場不相同而共同形成的。

當攻擊線上信號的開關方向與受害線上的信號的開關方向相反時，受害線和攻擊線之間將有很強的場，許多電力線出現在介電常數較小的空氣中。這時，受害線受到的有效介電常數有一大部分是源于空氣的，與攻擊線關閉時相比，有效介電常數就減小了。有效介電常數減小，導致受害線上的信號速度更快，從而時延更短。

當攻擊線上信號的開關方向與受害線上信號的開關方向相同時，每條線都有相同的電位，空氣中幾乎沒有電力線，絕大多數電力線在體介質材料中。這意味著受害受到的有效介電常數更大一點，這時，對受害線上的信號而信，有效介電常數增大，使得受害信號的速度降低，從而時延增大。

10.開關噪聲

如果信號返回路徑不是均勻平面，增加的感性耦合就比容性耦合高得多，這時噪聲主要由回路互感主導。這通常發生在互連中很小的局部區域里，例如封裝、連接器及電路板上返回路徑被間隙隔斷的區域。在回路占主導地位時，靜態線上由互感產生的噪聲僅在當動態線出現時才會出現，即邊沿開關時。也正是由于這個原因，互感占主導地位時產生的噪聲稱為開關噪聲。

地彈也是一種開關噪聲的形式，減小地彈有如下3種方法：