我們知道，當信號沿傳輸線傳播時，在信號路徑和返回路徑之間將產生電力線；圍繞在信號路徑和返回路徑周圍也會產生磁力線。這些電場和磁場還會延伸到周圍的空間。這些延伸出去的場被稱為邊緣場，如果另外一根信號線剛好在邊緣場范圍之內的話，就會受到干擾，這樣的一種耦合效應我們就稱為串擾。

 

 

考慮最簡單的一種情況，就是兩根信號線之間的串擾，這一對信號線其中一根是攻擊網絡，也叫動態(tài)網絡 (Aggressor Line)，另一根稱之為受害網絡，也叫靜態(tài)網絡(Victim Line)，我們所要分析的就是動態(tài)網絡的信號耦合到靜態(tài)網絡上后靜態(tài)信號線上的噪聲情況。

 

 

下面是一個串擾的波形，紅色為近端噪聲(NEXT), 藍色為遠端噪聲(FEXT),后面我們會對其進行具體分析。

 

 

2、串擾耦合途徑

把兩根耦合線等效為電路模型，如下圖所示，可以看出，串擾基本分為電容性耦合和電感性耦合，電容和電感都與串擾有關，但是還是要區(qū)別考慮，當返回路徑是很寬的均勻平面時，容性耦合和感性耦合電流量大約相同，如果返回路徑不是很寬的均勻平面，而是封裝中的單個引線或者接插件中的單個引腳，感性耦合電流將遠大于容性耦合電流，此時，噪聲的行為主要由感性耦合電流決定。

 

 

1. 電容性耦合

兩根相鄰的導線(或導體)，如果靠的夠近，當一條在線有電壓信號的變化，會產生電場對另一線耦合出電流信號變化。由于這是電場的影響，所以可以透過寄生電容(互容, mutual capacitance)模型來解釋。

 

對于傳輸線上任意一個小段，等效模型如下圖，在信號跳變沿通過這一小段傳輸線的過程中，這個等效電容上的電壓不斷變化，因此就有電流流過電容，電流流入受害線后，由于受害線兩個方向上的阻抗相同，因此電流同時向兩個方向流動，大小相等，方向相反。

 

流動的電流在兩個方向上都會產生電壓，與攻擊信號傳播方向相同的電壓稱為前向電壓，與攻擊信號傳播方向相反的電壓稱為后向電壓。

 

 

下面我們來具體分析電流情況，假設有一個邊沿信號在動態(tài)線上傳輸，當信號變壓在dV/dt或者dI/dt的區(qū)域，就會有耦合電流流到靜態(tài)線上，導線上除此之外的任何地方，電壓和電流都為常數，所以不會出現耦合噪聲電流。只有在active line傳遞edge所到之處的瞬間(dI/dt arrive)，才會在quiet line產生感應成份(coupled noise, V)

 

 

上圖紅色為近端耦合電流，下面綠色為源端耦合電流傳播及疊加示意圖。

 

當動態(tài)線上升沿剛剛露出之后，隨著動態(tài)信號前進，靜態(tài)線上后向流動的容性耦合電流以恒定速度持續(xù)流回到近端。當前沿傳輸了一個飽和長度后(信號前沿的空間延伸的耦合長度稱為飽和長度)，互容耦合因有增有減而維持不變，靜態(tài)線近端的電壓幅度將達到一個穩(wěn)定值。當動態(tài)線上的信號到達遠端匹配電阻器后，就不再產生新的耦合噪聲電流，但是靜態(tài)線上還有后向電流陸續(xù)流向靜態(tài)線的近端，這段額外時間等于時延TD。

 

如下圖所示，近端的特征，就是容性耦合電流上升到一個恒定值并持續(xù)。從2×TD開始下降到0，其中上升邊等于信號上升時間。

 

 

在一半容性耦合噪聲電流流回近端及信號沿動態(tài)線向前傳輸的同時，另一半容性耦合噪聲電流也沿導線向前流動。靜態(tài)線上的前向電流向遠端移動的速度與動態(tài)線上的信號前沿向遠端傳播的速度相同，前向噪聲電流就像是對動態(tài)信號做沖浪運動一樣。在靜態(tài)線上的每一步，一半噪聲電流會疊加在已經存在的沿線噪聲上。

 

在遠端，直到信號前沿到達遠端，才有電流出現。信號達到遠端的同時，前向容性耦合電流也到達遠端。

 

如果信號邊沿是線性上升的，則容性耦合噪聲電流為一個很短的矩形脈沖，持續(xù)時間等于信號的上升時間。

 

 

2. 電感性耦合

感性耦合電流和容性耦合電流的行為是相似的。受動態(tài)線上dI/dt的驅動，經過互感在靜態(tài)線上產生一個電壓，進而形成感性耦合電流。

 

沿傳輸線傳播時，動態(tài)線上變化的電流從信號路徑流到返回路徑。這一電流回路最終會在靜態(tài)線上感應出電壓并形成一個電流回路。靜態(tài)線上電流以相反的方向環(huán)繞成感應電流回路。所以在動態(tài)線上的信號邊沿附近，靜態(tài)線上感應的電流回路方向是從返回路徑流向信號路徑。

 

 

靜態(tài)線上產生這種電流回路時，將沿兩個方向等量傳播。靜態(tài)線上的感應電流回路中的一半電流流回后方的近端，另一半向前方的遠端傳播。

 

 

電感耦合噪聲近端以正電壓(凸起)的形式出現，但遠程以負電壓(凹陷)的形式出現，且遠程耦合噪聲的凹陷深度和耦合長度與單位互感成正比。

 

 

 

3、如何減小串擾

增大傳輸線之間的間距是減小串擾的最好方法，另外，還有一些其他的方法一起總結如下：

 

1. 增加信號路徑之間的間距；

2. 用平面作返回路徑；

3. 使耦合長度盡量短；

4. 在帶狀線層布線；

5. 采用低特性阻抗；

6. 使用低介電常數材料；

7. 在封裝和連接件中不要共用返回引腳；

8. 使用兩端和整條線上有短路過孔的防護布線。

 

（來源：信號完整性之旅，作者：王彥武）