传输线之间有容性串扰和感性串扰,而容性和感性串扰又可以分为:近端和远端串扰。那么对于传输线的近端串扰来说,它是容性近端耦合和感性近端耦合的叠加。
我们知道容性近端近端耦合是正的,远端耦合也是正的,其模型是:电流由动态线流向静态线,导致静态线上的电压上升。如下图所示。
感性近端耦合也是正的,而远端耦合是负的。其模型是:动态线与静态线之间是一个变压器,同名端是正而异名端是负。
所以容性和感性耦合的远端串扰,如上图的远端耦合图所示,两者的相互叠加会形成一个相互“抵消”的远端耦合电压。至于是否能完全“抵消”则要根据实际情况进行具体分析。
远端串扰
我们知道,远端串扰对信号质量的影响远大于近端串扰,因为大部分情况下远端串扰影响的是接收端的信号质量。而远端耦合串扰由远端容性耦合和远端感性耦合组成,远端串扰电压与流经远端端接电阻有关。
它有4个重要的特征:
1. 从信号经过传输线的串扰开始算起,一直要经过Td时延(“静态线”起始被串扰位置到终端)后才会出现远端串扰,与动态线上信号传播速度相等。
2. 远端串扰以脉冲形式出现:耦合电流是由dV/dt和dI/dt共同作用产生的,脉冲宽度是信号的边沿时间。
随着上升边沿时间减小,远端串扰脉冲宽度也减小,但峰值会增加,串扰能量与动态线信号边沿时间无关,与串扰传输线长度相关;如下图所示。
3. 远端串扰的峰值与耦合长度成正比,随着耦合长度增加,噪声峰值也将增加,但是串扰噪声峰值的极限为动态线信号幅值的一半。
4. FEXT系数是对远端噪声峰值电压Vf与信号电压Va的比值:
FEXT=Vf/Va
=Len/Tr * Kf
= (Len/Tr) *[1/(2*ν)]* (Cm/CL–Lm/LL)
=Kf =[1/(2*ν)]*(Cm/CL–Lm/LL)
其中Va:动态线电压;Vf:静态线电压;Kf:远端串扰系数。
当两条传输线的参考平面不连续,此时回流路径变大,导致传输线信号路径与回流路径之间的环路相对更大,那么感性耦合远大于容性耦合:Kf<0。那么这种情况下的远端串扰电压是负值。
但当两条传输线都有完整平面作为回流路径时,如果导线周围材料相同并均匀分布的(带状线,耦合线缆等),则相对容性耦合和感性耦合相互抵消,远端耦合系数Kf=0,不会出现远端串扰。这个结论非常重要,我们利用这个原则可以大大减小远端串扰。
1. 对于理想带状线:导线周围介质材料是同质且均匀分布,那么相对容性耦合和相对感性耦合完全相同,不会出现远端串扰。
举个栗子,如果有并行总线走线,PCB设计要求信号收发同向(远端串扰为0),那么在理想情况下,带状线的接收端无串扰。
2. 对于微带线:导线上方是空气、下方是介质,其感性耦合还是不变(介质和空气磁导率相同),而电容会受到介质分布的影响,信号路径之间相对信号路径与回流路径之间有更多的电场线暴露在空气中(介质的介电常数远大于空气),所以耦合电容Cm的减小远大于线路与耦合电容CL,导致Cm/ CL变小,从而远端串扰是负值。
3. 如果微带线上方增加绿油/介质厚度:那么信号路径之间的电场线更少的穿过空气,Cm和CL明显增加,同时随着绿油厚/介质度增加,远端串扰大大的减小。
减小远端串扰经验法则:
1. 微带线之间最小距离(1倍线宽)情况下,串扰为-4%;随着边沿时间缩短,远端噪声将增加。
2. 微带线间距在2w和3w时远端串扰分别:-2.2%和-1.4%;一般情况下可以满足设计需求。
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