串扰详解
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射频电路中,串扰的基本原理1.引言1.1 概述射频电路中,串扰是一个常见且重要的问题,尤其在高频信号传输中更为突出。
串扰指的是在射频电路中,不同信号之间相互干扰、相互影响的现象。
在射频电路中,存在着多个信号线路,每条线路上都传输着特定频率的信号。
由于线路之间的物理接近或电磁场的交叠,信号之间会相互耦合,形成串扰。
这种耦合作用导致了信号之间的互相干扰,从而影响了射频电路的性能和可靠性。
串扰可以分为两种情况:带宽内串扰和带宽外串扰。
带宽内串扰指的是信号间频率相近,介于同一频段内的串扰;而带宽外串扰则是指信号间频率相差较大,介于不同频段内的串扰。
不同类型的串扰对射频电路的影响也有所不同。
带宽内串扰会导致信号变形、信噪比下降等问题,严重时甚至会导致通信不可靠。
而带宽外串扰则会引起频谱污染,干扰其他频段的正常通信。
为了抑制和减小串扰对射频电路的影响,人们提出了多种方法和技术。
例如,设计合理的电路布局和线路走向可以有效降低串扰的产生;合理选择线路材料和导线屏蔽等手段也能起到抑制串扰的作用。
此外,通过滤波器和隔离器等电路元件的使用,还可以对串扰信号进行滤除和分离,从而保证射频电路的正常工作。
本文将从串扰的定义和分类入手,深入探讨串扰的产生原理,并分析串扰对射频电路性能的影响。
同时,还将介绍一些串扰抑制的有效方法和技术,旨在帮助读者更好地理解和应对射频电路中的串扰问题。
文章结构的设计旨在清晰地呈现射频电路中串扰的基本原理。
本文将按照以下结构展开内容:1. 引言1.1 概述引言部分将简要介绍射频电路和串扰的概念,引起读者的兴趣,并说明射频电路中串扰问题的重要性和现实意义。
1.2 文章结构在本节,我们将详细介绍文章的结构,以帮助读者更好地理解和跟随文章的内容。
1.3 目的目的部分将明确本文的目标,即解释射频电路中串扰的基本原理,并提供一些串扰抑制方法的实用建议。
2. 正文2.1 串扰的定义和分类正文的第一部分将全面介绍串扰的概念,包括定义、分类和常见的串扰类型。
近端串扰与远端串扰分析1、串扰的产生串扰是指信号在传输通道上传输时,因电磁耦合对相邻传输线产生的影响。
串扰分为容性耦合串扰和感性耦合串扰。
如图所示,线AB 有信号,此传输线称为动态线,与动态线AB 相邻的传输线CD 称为静态线,此线产生耦合信号。
其中,由耦合电容产生的串扰信号在受害网络上可以分为前向串扰和反向串扰Sc,这两个信号极性相同;由耦合电感产生的串扰信号也分成前向串扰串扰和反向串扰Sl,这两个信号极性相反。
2、串扰的仿真仿真模型如下所示:PCB 叠层结构为六层,传输线采用微带线,位于顶层,第二层为参考平面,驱动器采用3.3V CMOS 的MOD 模型,由于只分析串扰,为了避免反射,两线均采用端接技术。
2.1 线间距对串扰的影响线宽为6mil,线长为3in,信号上升时间为1ns,线到参考平面的距离为10mil。
设置传输线间距分别为10mil,20mil,得到静态线的近端串扰和远端串扰如下:线间距为10mil 时的近远端串扰仿真结果线间距为20mil 时的近远端串扰仿真结果线间距对串扰的影响从仿真结果可以看出:近端串扰和远端串扰随着间距的减小而增大。
这是因为两线间的互容Cm 和互感Lm 随着间距的减小而增大,导致总串扰增大,则在实际设计中可以通过增大线间距来抑制串扰。
2.2 耦合长度对串扰的影响保持其他参数不变,线宽为6mil,线间距为10mil,信号上升时间为1ns,线到参考平面距离为10mil。
设置两条传输线的耦合长度分别为1in 和3in,仿真结果如下:从上图可以看出,随着耦合距离的增大,串扰随之增大。
所以易受干扰的网络应该尽量避免与干扰强的网络长距离并行。
2.3 信号上升时间对串扰的影响保持其他参数不变,线宽为6mil,线间距为10mil,线长为3in,线到参考平面距离为10mil。
设置驱动信号上升时间分别为1ns 和3ns,仿真结果如下:从仿真结果可以看出,随着上升时间的减小,串扰越来越严重。
串扰分析当今飞速发展的电子设计领域,高速化和小型化已经成为一种趋势。
如何在缩小电子系统体积的同时,保持并提高系统的速度与性能成为摆在设计者面前的一个重要课题。
信号频率变高,边沿变陡,印刷电路板尺寸变小,布线密度加大等都使得串扰越来越成为一个值得关注的问题。
而随着电子工程师不断把设计推向技术与工艺的极限,串扰分析就变得越来越重要。
本节讨论的串扰问题是高速、高密度电路设计中需要重点考虑的问题,下面的仿真结果均是使用Mentor Graphics公司的Interconnect Synthesis(IS)软件完成的。
串扰的基本概念串扰是指当信号在传输线上传播时,因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰。
过大的串扰可能引起电路的误触发,导致系统无法正常工作。
串扰是由电磁耦合形成的,耦合分为容性耦合和感性耦合两种。
容性耦合是由于干扰源(Aggressor)上的电压变化在被干扰对象(Victim)上引起感应电流从而导致的电磁干扰,而感性耦合则是由于干扰源上的电流变化产生的磁场在被干扰对象上引起感应电压从而导致的电磁干扰。
因此,信号在通过一导体时会在相邻的导体上引起两类不同的噪声信号:容性耦合信号与感性耦合信号。
几种典型情况的串扰分析我们以图13为例,先来介绍一下串扰的有关术语。
图中如果位于A点的驱动源称为干扰源(Aggressor),则位于D点的接收器称为被干扰对象(Victim),A、B之间的线网称为干扰源网络,C、D之间的线网称为被干扰对象网络;反之,如果位于C点的驱动源称为干扰源(Aggressor),则位于B点的接收器称为被干扰对象(Victim),C、D之间的线网称为干扰源网络,A、B之间的线网称为被干扰对象网络。
当干扰源状态变化时,会在被干扰对象上产生一串扰脉冲,在高速系统中,这种现象很普遍。
为方便下面的仿真,我们组成构造如下的仿真条件:电路布局布线严格按照图13中两线系统的结构,设两线的线宽均为W,两线的线间距为P,而两线的平行长度为L,如不特殊说明,W、P 和L的取值分别为W=5mils,P=5mils,L=1.3inches,两线均为顶层微带传输线。
串扰的耦合途径
串扰,也称为串扰噪声,是由于电磁场的耦合而在信号传输过程中产生的不期望的噪声电压信号。
这种噪声是由于能量从一条传输线耦合到另一条传输线上所引起的。
串扰的耦合途径主要有三种:电容耦合、电感耦合和辐射耦合。
1. 电容耦合:当两个导体之间存在电容时,一个导体上的电压
变化会导致另一个导体上产生感应电流。
这种感应电流会直接耦合到受扰线路上,从而产生串扰。
电容耦合不仅发生在信号线与信号线之间,还发生在信号线与回流平面之间。
电容的大小与导体之间的距离成反比,距离越近,电容越大,耦合程度也就越高。
2. 电感耦合:电感耦合是由于两个电流回路之间存在互感而产
生的。
当一个回路的电流发生变化时,会在另一个回路上产生感应电压噪声。
这种感应电压噪声会导致信号失真和串扰。
电感耦合的程度与两个回路之间的互感成正比,互感越大,耦合程度越高。
3. 辐射耦合:辐射耦合是由于电磁场辐射而产生的串扰。
当信
号在传输线上传播时,会在周围空间产生电磁场。
如果其他导体处于这个电磁场中,就会受到其影响并产生感应电流或感应电压,从而产生串扰。
辐射耦合属于电磁干扰(EMI)的范畴,需要在电路设计中
进行特殊考虑。
为了减小串扰,可以采取一些措施来降低电容和电感耦合的程度。
例如,在两根相邻信号线之间走一根地线,可以将互容串扰耦合到地线上,从而降低串扰的影响。
此外,增加传输线之间的距离、使用屏
蔽线或增加接地等措施也可以有效地减小串扰。
串扰机理详解串扰是指当信号在传输线上传播时,因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰。
这种干扰是由于两条信号线间的耦合,即信号线之间互感和互容耦合引起的。
容性耦合(当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时,干扰源与信号电路之间就存在容性(电场)耦合,这时干扰电压线电容耦合到信号电路,形成干扰源)引发耦合电流,而感性耦合(当干扰源是以电流形式出现的,此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰)则产生耦合电压。
由于自身的逻辑电平发生变化,对其他信号产生影响的信号线称为“攻击线”(Aggressor),即干扰线。
受到影响而导致自身逻辑电平发生异常的信号连线我们称为“牺牲线”(Victim),即被干扰线。
串扰噪声从干扰对象上通过交叉耦合到被干扰对象上,表现为在一根信号线上有信号通过时,在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的信号。
图5-1中如果位于A点的驱动源称为干扰源(Aggressor),则位于D点的接收器称为被干扰对象(Victim),A、B之间的线网称为干扰源网络,C、D之间的线网称为被干扰对象网络;反之,如果位于C点的驱动源称为干扰源,则位于B点的接收器称为被干扰对象,C、D之间的线网称为干扰源网络,A、B之间的线网称为被干扰对象网络。
图5-1 串扰中的干扰源与被干扰对象当干扰源状态变化时,会在被干扰对象上产生一串扰脉冲,在高速系统中,这种现象很普遍。
例如,当干扰源的信号有上升沿跳变(从0到1),而被干扰源保持为0电平,通过两者之间的交叉耦合电容,在被干扰源上就会产生一个短时的脉冲干扰,如图5-2.a所示。
类似的,在干扰源上有一个上升沿跳变(从0到1),而在被干扰源上有一个下降沿跳变(从1到0),由于交叉耦合的影响,在被干扰源上就会产生时延,如图5-2.b所示。
图5-2 a)短时脉冲干扰 b)时延通常,依赖于干扰源和被干扰源上信号的跳变,被干扰线上产生四种类型的影响:正的短时脉冲,负的短时脉冲,上升时延,下降时延,如图5-3所示。
信号完整性之串扰(四)一、串扰的概念串扰是两条信号线之间的耦合、信号之间的互感和互容引起的。
当信号在传输线上传播时,相邻信号线之间由于电磁场的相互耦合会产生不期望的噪声电压信号,即能量由一条线耦合到另一条线上。
根据耦合的机理不同,可分为电感应(容性)耦合和磁感应(感性)耦合。
产生串扰(crosstalk)的信号被称为干扰源(Aggressor)或动态线(active line),而收到干扰的信号被称为被干扰对象(Victim)或静态线(passive line)。
通常,一个网络既是干扰源又是被干扰对象。
串扰是发生在一个网络的信号路径及返回路径和另一个网络的信号路径及返回路径之间的一种效应。
耦合机制:动态线上的电压变化可在周围产生电场,而电场对于处于其中的导体上的电荷流动有一定的影响,因此与静态线相互作用后就会出现容性(电感应)耦合。
动态线上的电流变化将会在导体周围产生磁场,而这个磁场会对处于其中的电荷移动产生影响,从而使静态线上出现感性(磁感应)耦合。
耦合并不是时时刻刻发生的,本人经过咨询和查找资料,了解如下:当信号沿着动态线传播时,仅在信号边沿附近的特殊区域,即存在dV/dt或dI/dt的区域,才有耦合电流流到静态线上。
导线上除此之外的任何地方,电流和电压都为常数,所以不会出现耦合噪声电流。
这个地方还希望各路大神指教二、近端串扰和远端串扰对于长线的耦合串扰,在静态线上两端测得噪声电压明显不同,为了区分这两端,把距离干扰源端最近的一端称为近端干扰(信号传输方向的后方),距离干扰源端最远的一端称为远端干扰(信号传输的前方)。
大家看到的两种串扰的峰值不一样是因为近端串扰是连续值,远端串扰是叠加值。
近端串扰和线间距有关,远端串扰和线间距还有走线的并行长度有关。
(互容和间距有关,互感和并行长度有关,)近端噪声与容性耦合电流和感性耦合电流的总和有关。
远端噪声与容性耦合电流和感性耦合电流的差有关。
三、影响串扰的因素线间距:串扰随着间距的增大而降低,粗略估算间距从一倍间距拉远到两倍间距串扰降一半,拉远到三倍串扰再降一半。
串扰与近端串扰(NEXT)串扰是从一个线对到另一个邻近线对传递的无用信号。
就象来自外部的电气噪声一样,串扰可以引起网络中的通信故障。
在所有的网络运行的特性中,串扰对网络的性能影响是最大的。
测试仪通过在一个线对发送测试信号并测量在另一个线对上的串扰信号幅度的方法来测定串扰。
在测量电缆的同一端时,串扰值是由测试信号与串扰信号幅度差来计算得到的。
这一差值就称作近端串扰并以分贝来表示。
高的next值相当于低串扰和更好的电缆性能。
所有通过电缆传输的信号都受到衰减的影响。
由于衰减的存在,发生在电缆远端的串扰对n ext的影响就小于发生在近端的串扰。
因此,要验证电缆的性能,就必须在电缆的双端测量next。
next故障的定位如果测试仪报告某一电缆线对出现next错误,就可以使用tdx分析来定位串扰故障所发生的位置。
与tdr的结果一样,tdx分析的结果是以列表和绘图的方式显示的。
列表方式显示了被测试的电缆线对、每线对上所测到的串扰峰值以及到峰值处的距离。
tdx的分析图显示被测试电缆的所有串扰源的幅度与位置。
显示良好双绞电缆的一个td x分析图。
图中水平坐标表示沿被测电缆的位置。
在此例中,光标位于距测试仪77 ft (23. 5m)处的一个小串扰源,它是由连接器产生的。
垂直坐标表示被测串扰的幅度。
为补偿电缆的衰减,图中的串扰值已经过相应的调节。
如果没有这种调节,图中右侧的峰值(距测试仪器较远的地方)就会显得很小。
经过调节的绘图很易于识别串扰源,使用者可以变化垂直刻度来测量距测试仪任何位置上的串扰幅度。
也可以通过比较串扰峰值的相对幅度来决定电缆中的最大串扰源。
目前应用最多的网络布线系统就是使用双绞线的布线系统,其中主流的选择是超5 类或更高的性能的系统。
对于布线系统来说,安装人员进行的最最基本的测试就是使用连通性测试仪验证链路端到端的连接。
这些测试仪提供完整的接线图测试,使用TDR 技术测量长度以及其他一些附加信息。
信号完整性问题中的信号串扰及其控制方法作者:Jenny 发表时间:2009-1-13一、串扰信号产生的机理串扰是指一个信号在传输通道上传输时,因电磁耦合而对相邻的传输线产生不期望的影响,在被干扰信号表现为被注入了一定的耦合电压和耦合电流。
过大的串扰可能引起电路的误触发,导致系统无法正常工作。
如图1的电路,AB之间的门电路称为干扰源网络(Aggressor Line),CD之间的门电路称为被干扰源网络(Victim Line)。
只要干扰源一改变状态,我们就可以观察到受害源处的脉冲串扰。
图1串扰的干扰源网络和被干扰网络信号在传输通道上传输对相邻的传输线上引起两类不同的噪声信号:容性耦合信号与感性耦合信号,如图2、图3所示。
容性耦合是由于干扰源(Aggressor)上的电压(Vs)变化在被干扰对象(Victim)上引起感应电流(i)通过互容Cm而导致的电磁干扰,而感性耦合则是由于干扰源上的电流(Is)变化产生的磁场在被干扰对象上引起感应电压(V)通过互感(Lm)而导致的电磁干扰。
图2电容耦合示意图图3电感耦合示意图二、串扰的几个重要特性分析1、电流流向对串扰的影响串扰是具有方向的,其波形是电流方向的函数,这里我们来看两种情况下的信号仿真。
第一种情况是干扰源线网与被干扰对象线网的电流流向相同,第二种情况是干扰源线网与被干扰对象线网的电流流向相反(即位于B点的为驱动源,而位于A点的为负载)。
AB和CD 线网都加入20MHz的信号,表1给出了远端D点的串扰峰值,串扰的波形仿真结果如图4所示。
表1电流流向不同时的串扰峰值由仿真结果可知,电流流向为反向时的远端串扰峰值(357.6mm)要大于电流流向为同向时的远端口串扰峰值(260.5)。
同时由图4可以看到,当干扰源的电流流向改变后,被干扰源的串扰极性也改变了。
这说明串扰的大小和极性与相应干扰源上信号的电流流向有关的。
(a)电流为同向时的串扰波形(b)电流为反向时的串扰波形图4电流流向对峰值的影响远端D点串扰一般大于近端C点串扰,因此在串扰抑制中,D点的远端串扰通常被作为考察线网峰值串扰电压大小的重点考虑的因素。
串扰1、概念:信号之间由于电磁场的相互耦合而产生的不期望的噪声电压信号称为信号串扰。
串扰超出一定的值将可能引发电路误动作从而导致系统无法正常工作。
信号线距离地线越近,线间距力越大,产生的串扰信号越小。
异步信号和时钟信号更容易产生串扰,因此解决串扰的方法是移开发生串扰的信号或屏蔽被严重干扰的信号。
2、引起串扰的两个因素是_容性耦合和_感性耦合3、减小串扰的方法:(1)3W原则(注释:走线间距是走线宽度的2倍)(2) 保持回路完整性 (3) 相邻层走线正交 (4) 减小平行走线长度4、解决串扰问题问题可以从以下几个方面考虑:a. 在可能的情况下降低信号沿的变换速率通常在器件选型的时候,在满足设计规范的同时尽量选择慢速的器件,并且避免不同种类的信号混合使用,因为快速变换的信号对慢变换的信号有潜在的串扰危险。
b. 采用屏蔽措施为高速信号提供包地是解决串扰问题的一个有效途径。
然而,包地会导致布线量增加,使原本有限的布线区域更加拥挤。
另外,地线屏蔽要达到预期目的,地线上接地点间距很关键,一般小于信号变化沿长度的两倍。
同时地线也会增大信号的分布电容,使传输线阻抗增大,信号沿变缓。
合理设置层和布线合理设置布线层和布线间距,减小并行信号长度,缩短信号层与平面层的间距,增大信号线间距,减小并行信号线长度(在关键长度范围内),这些措施都可以有效减小串扰。
d. 设置不同的布线层为不同速率的信号设置不同的布线层,并合理设置平面层,也是解决串扰的好方法。
e. 阻抗匹配如果传输线近端或远端终端阻抗与传输线阻抗匹配,也可以大大减小串扰的幅度。
5、串扰分析的目的:是为了在PCB实现中迅速地发现、定位和解决串扰问题。
一般的仿真工具与环境中仿真分析与PCB布线环境互相独立,布线结束后进行串扰分析,得到串扰分析报告,推导出新的布线规则并且重新布线,再分析修正,这样设计的反复比较多。
串扰的指标
串扰是指噪声在数据传输过程中被引入到接收端的信号中,导致误差的发生并使其受到影响。
下面是一些与串扰相关的指标及其参考内容:
1. crosstalk(互调干扰)
- 参考内容:互调干扰发生在多个电缆、导线或信道之间,当
信号从一条导线或信道传输到另一条时,会产生对信号的干扰。
2. attenuation(衰减)
- 参考内容:在信号传输中,信号的强度会逐渐减弱,导致在
接收端接收到的信号较弱并容易受到干扰。
3. interference(电磁干扰)
- 参考内容:电磁干扰可能来自其他电子设备或周围环境,能
够引入到数据通信中并导致串扰发生。
4. noise(噪声)
- 参考内容:噪声是指在信号传输过程中被引入到信号中的额
外的信号源,它们与原始信号进行了混合并引起误差。
5. jitter(抖动)
- 参考内容:抖动是指在信号时序中确定摆动过程的不规则性和无规律性,可能导致信号失真和误差发生。
串扰详解1 串扰问题产生的机理串扰是信号在传输线上传播时,由于电磁耦合而在相邻的传输线上产生不期望的电压或电流噪声干扰,信号线的边缘场效应是导致串扰产生的根本原因。
为了便于分析,下面介绍几个有关的概念。
如图1所示,假设位于A点的驱动器是干扰源,而位于D点的接受器为被干扰对象,那么驱动器A所在的传输线被称之为干扰源网络或侵害网络(Agreessor),相应的接收器D所在的传输线网络被称之为静态网络或受害网络。
静态网络靠近干扰源一端的串扰称为近端串扰(也称后向串扰),而远离干扰源一端的串扰称为远端串扰(或称前向串扰)。
由于产生的原因不同将串扰可分为容性耦合串扰和感性耦合串扰两类。
1.1 容性耦合机制当干扰线上有信号传输时,由于信号边沿电压的变化,在信号边沿附近的区域,干扰线上的分布电容会感应出时变的电场,而受害线处于这个电场里面,所以变化的电场会在受害线上产生感应电流。
可以把信号的边沿看成是沿干扰线移动的电流源,在它移动的过程中,通过电容耦合不断地在受害线上产生电流噪声。
由于在受害线上每个方向的阻抗都是相同的,所以50%的容性耦合电流流向近端而另50%则传向远端。
此外,容性耦合电流的流向都是从信号路径到返回路径的,所以向近端和远端传播的耦合电流都是正向的。
对于近端容性耦合串扰,随着驱动器输出信号出现上升沿脉冲,流向近端的电流将从零开始迅速增加,当边沿输入了一个饱和长度以后,近端电流将达到一个固定值。
另外,流向近端的耦合电流将以恒定的速度源源不断地流向近端,当上升沿到达干扰线的接收端,此上升沿会被接受吸收,不再产生耦合电流信号,但是受害线上还有后向电流流向受害线的近端,所以近端的耦合电流将持续两倍的传输延迟。
对于远端容性耦合串扰,由于信号的边沿可看成是移动的电流源,它将在边沿的附近区域产生经互容流进受害线的耦合电流,而产生的耦合电流将有50%与干扰线上的信号同向而且速度相同地流人远端,因此随着干扰线上信号的传输,在受害线上将不断地产生的前向耦合电流而且和已经存在的前向耦合电流不断地叠加,并一同传向远端。
串扰和衰减关系
在通信系统中,串扰和衰减是两个重要的技术指标。
串扰是指多条通信线路之间互相干扰的情况,而衰减则是指信号在传输过程中逐渐减弱的情况。
这两个指标之间存在一定的关系。
首先,串扰程度与通信线路之间的距离和相对位置有关。
通信线路之间距离越近,相对位置越接近,串扰程度就越大。
因此,在线路设计和布局时,应尽量将通信线路之间的距离拉开,并采取合适的隔离措施,以降低串扰程度。
其次,衰减程度与通信信号的频率和传输距离有关。
信号的频率越高,衰减程度就越大,传输距离越远,衰减程度也越大。
因此,在传输信号时,应根据信号的特性和传输距离选择适当的频率和信号衰减器,以保证信号的质量。
综上所述,串扰和衰减之间存在一定的关系,需要在通信系统设计和操作中注意控制和调整,以保证信号的稳定传输和通信质量。
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串扰效应心理学名词解释1. 串扰效应啊,这可是个挺有趣的心理学名词呢。
简单来说,就是在我们的心理活动里,一种信息对另一种信息产生了干扰。
就好比你在听老师讲课的时候,旁边同学在小声嘀咕,那嘀咕声就像是一种串扰,让你没法好好集中精力听老师讲的内容。
哎呀,这种感觉可真让人恼火!2. 串扰效应在我们生活中可不少见呢。
想象一下,你正在专心致志地读一本特别精彩的小说,突然手机收到一条消息提示音,你心里就开始惦记那条消息是什么了。
这消息提示音就对阅读这个信息产生了串扰效应。
哼,这就像一个不速之客,突然闯进了原本平静有序的阅读世界。
3. 从心理学角度讲,串扰效应就是不同的心理刺激互相干扰的情况。
比如说你在背单词,可脑子里突然闪过昨晚看的电视剧情节。
这电视剧情节就像个调皮的小恶魔,在你背单词这个正经事儿上捣乱呢。
是不是很让人头疼?这种串扰效应真的很影响我们做事情的效率啊。
4. 串扰效应还可以这样理解。
你和朋友聊天正聊得热火朝天,这时候另一个朋友突然插进来说另一个话题。
你是不是会觉得有点乱?这就是新话题对原本聊天话题的串扰效应啦。
就像两条原本好好流淌的小溪,突然交汇在一起,水就变得浑浊了。
这多让人扫兴呀。
5. 再来说说串扰效应在记忆方面的表现。
你本来想回忆起小时候一件特别美好的事情,可不知怎么的,老是和最近发生的一件烦心事混在一起。
这就是串扰效应在捣鬼啦。
它就像个捣蛋鬼,把美好的记忆和烦恼的记忆缠在一起,搞得人晕头转向的。
哎呀,真是讨厌!6. 在我们的思维过程中,串扰效应也很明显。
你在思考一道数学题,心里却一直想着待会儿要吃什么。
这吃什么的想法就像一阵风,把你思考数学题的思绪给吹乱了。
这不是添乱嘛!你看,串扰效应就是这么悄无声息地影响着我们的思维呢。
7. 你有没有过这样的经历?在准备演讲的时候,突然想起之前一次失败的演讲经历,然后就开始慌神了。
这失败演讲的回忆对现在准备演讲这个心理状态就产生了串扰效应。
这就如同乌云遮住了太阳,让你原本充满信心的心情变得灰暗起来。
串扰详解1 串扰问题产生的机理串扰是信号在传输线上传播时,由于电磁耦合而在相邻的传输线上产生不期望的电压或电流噪声干扰,信号线的边缘场效应是导致串扰产生的根本原因。
为了便于分析,下面介绍几个有关的概念。
如图1所示,假设位于A点的驱动器是干扰源,而位于D点的接受器为被干扰对象,那么驱动器A所在的传输线被称之为干扰源网络或侵害网络(Agreessor),相应的接收器D所在的传输线网络被称之为静态网络或受害网络。
静态网络靠近干扰源一端的串扰称为近端串扰(也称后向串扰),而远离干扰源一端的串扰称为远端串扰(或称前向串扰)。
由于产生的原因不同将串扰可分为容性耦合串扰和感性耦合串扰两类。
1.1 容性耦合机制当干扰线上有信号传输时,由于信号边沿电压的变化,在信号边沿附近的区域,干扰线上的分布电容会感应出时变的电场,而受害线处于这个电场里面,所以变化的电场会在受害线上产生感应电流。
可以把信号的边沿看成是沿干扰线移动的电流源,在它移动的过程中,通过电容耦合不断地在受害线上产生电流噪声。
由于在受害线上每个方向的阻抗都是相同的,所以50%的容性耦合电流流向近端而另50%则传向远端。
此外,容性耦合电流的流向都是从信号路径到返回路径的,所以向近端和远端传播的耦合电流都是正向的。
对于近端容性耦合串扰,随着驱动器输出信号出现上升沿脉冲,流向近端的电流将从零开始迅速增加,当边沿输入了一个饱和长度以后,近端电流将达到一个固定值。
另外,流向近端的耦合电流将以恒定的速度源源不断地流向近端,当上升沿到达干扰线的接收端,此上升沿会被接受吸收,不再产生耦合电流信号,但是受害线上还有后向电流流向受害线的近端,所以近端的耦合电流将持续两倍的传输延迟。
对于远端容性耦合串扰,由于信号的边沿可看成是移动的电流源,它将在边沿的附近区域产生经互容流进受害线的耦合电流,而产生的耦合电流将有50%与干扰线上的信号同向而且速度相同地流人远端,因此随着干扰线上信号的传输,在受害线上将不断地产生的前向耦合电流而且和已经存在的前向耦合电流不断地叠加,并一同传向远端。
由于串扰只在信号的边沿附近区域产生,流向远端的耦合电流的持续时间等于信号的跃变时间。
具体的容性耦合如图2所示。
互容Cm会对被干扰网络产生一个感应电流,该电流正比于干扰网络上电压的变化速率,由互容Cm产生的噪声计算公式为:1.2 感性耦合机制当信号在于扰线上传播时,由于信号电流的变化,在信号跃变的附近区域,通过分布电感的作用将产生时变的磁场,变化的磁场在受害线上将感应出噪声电压,进而形成感性的耦合电流,并分别向近端和远端传播。
与容性耦合电流不一样的是,感性耦合电流的方向与干扰线上信号传播的方向是反向的,向近端传输时,电流回路是从信号路径到返回路径,而向远端传输时,电流回路则是从返回路径到信号路径。
对于近端感性耦合串扰,其特征与近端容性耦合串扰非常相似,也是从零开始迅速增加,当传输长度大于等于饱和长度以后,将稳定在一个固定值,持续时间是两倍的传输延迟。
因为流向近端的感性耦合电流与容性耦合电流同向,所以两者将叠加在一起。
线路A到B上传输的信号的磁场在线路C到D上感应出电压,磁耦合的作用类似一个变压器,由于这是个分布式的传输线,所以互感也变成一连串的变压器分布在两个相邻的并行传输线上。
当一个电压阶跃信号从A移动到B,每个分布在干扰线上的变压器会依序感应一个干扰尖脉冲出现在被干扰网络上。
互感在被干扰网络上叠加的这个电压噪声,其大小跟干扰网络上驱动电流的变化成正比。
由互感产生的噪声计算公式为往C方向的前向干扰能量,是和入射电压及每个互感分量Lm成正比,因为所有前向干扰能量几乎同时抵达C点,所以前向干扰能量与两传输线的互感总量成正比,传输线平行的长度越长,所产生的互感总量就越大,前向干扰能量也随即增加;然而往D点的后向干扰能量与往C点的前向干扰能量不同的是,虽然两者耦合的总区域是一样的,但每个互感变压器所感应的干扰分量是依序到达D,后向干扰能量的有效时间长达2Tp(Tp为传播延时),随着线路平行长度的延长 (即互感增加),后向串扰的幅度大小是不会变化的,而持续时间会增加。
具体的感性耦合如图3所示。
分布式耦合电容的耦合机制和分布式电感耦合相类似,区别在于耦合的极性。
如图3所示,互容耦合的前向和后向干扰能量的极性都是正的。
l.3 互感和互容的混合效应由于电流流向与远端容性耦合电流是反向的,所以到达受害线远端接收器的耦合电流是两者之差。
一般地,在完整的地平面上,容性和感性的耦合产生的串扰电压大小相等,因此远端串扰的总噪声由于容性和感性耦合的极性不一样而相互抵消。
在带状线电路更能够显示两者之间很好的平衡,其远端耦合系数极小,但是对于微带线路,由于与串扰相关的电场大部分穿过的是空气,而不是其他的绝缘材料,因此容性串扰比感性串扰小,导致其远端串扰系数是一个小的负数。
2 串扰导致的几种影响在高速、高密度PCB设计中一般提供一个完整的接地平面,从而使每条信号线基本上只和它最近的信号线相互影响,来自其它较远信号线的交叉耦合是可以忽略的。
尽管如此,在模拟系统中,大功率信号穿过低电平输入信号或当信号电压较高的元件(如TTL)与信号电压较低的元件(如ECL)接近时,都需要非常高的抗串扰能力。
在PCB设计中,如果不正确处理,串扰对高速PCB的信号完整性主要有以下两种典型的影响。
2.1串扰引起的误触发信号串扰是高速设计所面临的信号完整性问题中一个重要内容,由串扰引起的数字电路功能错误是最常见的一种。
图 4是一种典型的由串扰脉冲引起的相邻网络错误逻辑的传输。
干扰源网络上传输的信号通过耦合电容,在被干扰网络和接收端引起一个噪声脉冲,结果导致一个不希望的脉冲发送到接受端。
如果这个脉冲强度超过了接收端的触发值,就会产生无法控制的触发脉冲,引起下一级网络的逻辑功能混乱。
2.2串扰引起的时序延时在数字设计中,时序问题是一个重要考虑的问题。
图5显示了由串扰噪声引起的时序问题。
图下半部分是干扰源网络产生的两种噪声脉冲(Helpful图5串扰噪声导致的延时glitch 和Unhelpful glitch),当噪声脉冲(helpful glitch)叠加到被干扰网络,就引起被干扰网络信号传输延时减少;同样,当噪声脉冲(Unhelpful glitch)叠加到被干扰网络时,就增加了被干扰网络正常传输信号的延时。
尽管这种减少网络传输延时的串扰噪声对改善PCB时序是有帮助的,但在实际 PCB设计中,由于干扰源网络的不确定性,这种延时是无法控制的,因而对这种串扰引起的延时必须要加以抑制。
3.各个参数对串扰的影响3.1 耦合长度对串扰的影响改变两线的耦合长度,分别将耦合长度设置为3 in,6 in,10 in,其他设置不变。
图6(a)是耦合长度为3 in的串扰波形,其中近端串扰峰值为126.34 mV,远端为43.01 mV;图6(b)是耦合长度为6 in的串扰波形,其近端串扰峰值为153.23 mV,远端为99.46 mV;图6(c)是耦合长度为10 in的串扰波形,其近端串扰峰值为153.23 mV,远端为163.98 mV。
由此可见,对于远端串扰峰值与耦合长度成正比,耦合长度越长,串扰越大;而对于近端串扰,当耦合长度小于饱和长度时,串扰将随着耦合长度的增加而增加,但是当耦合长度大于饱和长度时,近端串扰值将为一个稳定值。
3.2 线间距对串扰的影响以下是保持其他设置不变,考察线间距的改变对串扰的影响。
分别设置线距为5 mil,15 mil,仿真波形如图7所示。
由图7可知,当线间距为5 mil时,近段串扰峰值为153.23 mV,远端为99.46 mV;而线间距为15 mil时,近端串扰峰值为33.40 mV,远端为40.49 mV。
可见随着线间距的增大,无论是近端还是远端串扰都将减小,当线间距大于等于线宽的3倍时,串扰已经很小。
3.3 上升时间对串扰的影响下面考察上升沿时间的变化对串扰的影响,其他设置保持不变。
分别设置驱动器为CMOS 3.3 V MEDI—UM;CMOS 3.3 V FAST;CMOS 3.3 V ULTRA—FAST,仿真波形如图8所示。
图8(a)中的近端串扰峰值为153.9 mV,远端串扰为46.3 mV;图8(b)中近端串扰峰值为153.2 mV,远端串扰为99.5 mV;图8(c)中近段串扰峰值为153.2 mV,远端串扰为349.9mV。
可见,当上升沿时间缩短时,远端串扰噪声越来越大。
对于近端串扰来说,如果与传输线的时延相比,上升时间较短,则近端串扰与上升时间无关;而如果与传输线时迟相比,上升时间较长,则近端串扰噪声与上升时间有关(随着上升沿时间的减小,近端串扰变大)。
3.4 介质层厚度对串扰的影响在PCB的叠层编辑器中将介质层厚度分别设置为3 mil和6 mil,其他设置不变,仿真波形如图9所示。
考察以上的仿真波形可知,当介质层厚度为3 mil时,近端串扰峰值为153.2 mV,远端串扰为99.5 mV;当介质层厚度为6 mil时,近端串扰峰值为277.3 mV,远端串扰为163.9 mV。
可见,随着介质层厚度的减小,串扰也将变小。
4.串扰最小化串扰在高速高密度的PCB设计中普遍存在,串扰对系统的影响一般都是负面的。
为减少串扰,最基本的就是让干扰源网络与被干扰网络之间的耦合越小越好。
在高密度复杂PCB设计中完全避免串扰是不可能的,但在系统设计中设计者应该在考虑不影响系统其它性能的情况下,选择适当的方法来力求串扰的最小化。
结合上面的分析,解决串扰问题主要从以下几个方面考虑:通过以上的分析与仿真,了解了串扰的特性,总结出以下减少串扰的方法:(1)在情况允许的情况下,尽量增大走线之间的距离,减小平行走线的长度,必要时可采用固定最大平行长度推挤的布线方式(也称jog式走线),即对于平行长度很长的两根信号线,在布线时可以间断式地将间距拉开,这样既可以节省紧张的布线资源,又可以有效地抑制串扰,走线示意图如下图所示。
(2)在确保信号时序的情况下,尽可能地选择上升沿和下降沿速度更慢的器件,使电场和磁场变化的速度变慢,从而降低串扰。
(3)在设计走线时,应该尽量使导体靠近地平面或电源平面。
这样可以使信号路径与地平面紧密的耦合,减少对相邻信号线的干扰。
在设计层叠时,在满足特征阻抗的条件下,应使布线层与参考平面(电源或地平面)间的介质层尽可能薄,因而加大了传输线与参考平面间的耦合度,减少相邻传输线的耦合。
(4)在布线空间允许的条件下,在串扰较严重的两条信号线之间插入一条地线,可以减小两条信号线间的耦合,进而减小串扰。
(5)相邻两层的信号层(无平面层隔离)走线方向应该垂直,尽量避免平行走线以减少层间的串扰。