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串扰噪声分析
    

  前面的部分阐述了串扰是由于相邻导体间的互容和互感引起的,那么互容和互感也就决定了耦合到相邻传输线上的噪声。采用如图1所示的模型来分析串扰噪声。假设FR4基板上有两条相邻的50Ω微带线,线宽为W,间距为S,耦合长度为L。为了排除反射的影响,在线的两端端接50Ω匹配负载。微带线1即动态线的一端接信号源,输出幅度为IV的上升沿。

  如图2所示为图1给出模型的等效电路,以及信号上升沿在传输线上的空间延伸G当信号沿微带线1传播时,它除了感受到自身的电容和电感外,还能感受到与微带线2之间的互容CM和互感LM。

串扰分析基本模型

  图1 串扰分析基本模型

串扰分析基本模型的等效电路

  图2 串扰分析基本模型的等效电路

  在信号波前覆盖的部分,变化的电压对CM充电,那么就有电流ICM经过CM从微带线1流到微带线2,此电流在微带线2上将向两个方向流动,分别为ICM,NEAR和ICM,FAR,且有

  ICM=ICM,NEAR+ICM,FAR

  在每一个时刻,因互容引起的容性耦合电流为

  式中,V为微带线1上的信号电压,CM为信号波前覆盖区域上总的耦合电容:

  CM=CMO×RT×V

  式中,CMO为单位长度耦合电容,也就是“SPICE”电容矩阵中的C21。那么,注入到微带线2上的瞬时容性耦合电流的总量为

  因传输线是均匀的,两个方向的电流感受的阻抗相同,则有

  同时,在微带线1上信号波前覆盖的部分,电流也在发生变化,这一变化的电流通过互感在微带线2上感应出电流ILM,方向和微带线1中的电流相反,如图3所示。同理可得,微带线1、2间互感中感应的瞬时电压为

  式中,LM0为单位长度耦合电容,也就是“SPICE”电感矩阵中的L21。

  值得注意的是,瞬时耦合噪声与耦合电容和电感、信号速度,以及信号强度成正比,而与信号上升时间无关。因为,虽然上升时间快,信号电压及电流变化率大,但足,上升时间越快,则信号波前的空间覆盖区域越小。

  上面对瞬时耦合电流、电压的定义是基于一个假设:微带线1、2的耦合区域长度大于信号波前的空间覆盖。当信号从驱动器输出之后,信号上升沿逐渐移进耦合区,信号电压、电流变化率保持不变,但波前覆盖区域不断增大,则耦合电容和耦合电感不断增大,故瞬时耦合电流和电压不断增大,直到信号空间前沿全部进入耦合区,信号变化率继续保持不变,而耦合电容和耦合电感也不再变化,则瞬时耦合电流和电压达到一个稳定值。信号空间前沿的长度为

  式中,ιsat为饱和长度。在耦合长度小于饱和长度的情况下,瞬时耦合电流和电压将无法达到上述的稳定值。

串扰电流

  图3 串扰电流

  信号是向前传播的,信号波前的覆盖区域也是以速度v向前移动的,则产生感应电流的位置也是不断向前移动的,如图4所示将其等效为两个沿微带线、以速度v向前移动的电流源。这两个电流源产生的电流一部分传向近端,形成近端串扰或称为后向串扰,—部分传向远端,形成远端串扰或称为前向串扰。但是,这两个电流源的位置不是固定的,而是以信号传播速度相同的速度向远端移动,所以前向串扰和后向串扰表现为不同的形式。

容性串扰和感性串扰

  图4 容性串扰和感性串扰

  容性串扰的近端噪声和远端噪声极性相同,而感性串扰的近端噪声和远端噪声极性则相反。通常,容性串扰和感性串扰是同时存在的,总的串扰为二者叠加。对于近端串扰,总的串扰电压为

  近端串扰出现在信号前沿进入耦合区的瞬间,并不断增大,在信号前沿完全进入耦合区后达到稳定值,经过传输线的延迟TD后,信号到达远端,干扰信号将因信号前沿逐渐走出耦合区而减小、直到消除。但消除前的产生干扰信号将再过TD也就是莎=2TD时才到达近端。所以,近端串扰始于信号进入耦合区域的时刻,并持续2TD的时间。

  总的远端串扰噪声电压为

  由于远端的容性串扰和感性串扰具有相反的极性,所以在远端二者呈现抵消趋势。传向远端的干扰信号和有用信号上升沿同步传输,那么远端串扰始于TD,持续时间为信号的上升或下降时间。

  在数字系统中,大量的走线相互靠近,串扰也互相叠加起来。对容性串扰而言,走线之间相互屏蔽,因此随着受害线和侵略线间隔的加大,耦合系数下降很快,所以对于一个走线来说,容性串扰通常对于邻近的走线较大而对其他的走线显得很小;对感性串扰而言,因为走线对磁场的屏蔽系数很小,所以耦合系数随距离的增加下降得很慢,因而距离较远的走线之间的感性串扰也比较强。总之,对邻近的走线,容性串扰和感性串扰同时存在且容性串扰通常比较强,而对距离较远的走线,串扰主要呈现为感性。

  下面通过一个实例来观察串扰噪声。采用图5所示的串扰分析基本模型,FR4基板厚度331.47μm;微带线1、2的宽度均为600 μm;对应的特性阻抗为50Ω;耦合时间长度为1.5 ns;两根微带线间距S为300μm。采用Hyperlynx仿真,如图5所示为对应的串扰分析模型Hyperlynx中的电路原理图。

串扰分析模型Hyperlynx中的电路原理图

  图5 串扰分析模型Hyperlynx中的电路原理图

  



  

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    时间:2011年04月03日 02:34:40 来源:dzsc.com 作者:ks99 上一篇:人为负载转移法适用场合 下一篇:缓冲器的基本原理  (电脑版  手机版)
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