为什么会有串扰
宇宙中的任何事物,只要存在,就会与其它事物之间发生作用。
传输线也是一样,世界上不存在不受任何干扰的理想传输线,它与其它千千万万的电磁信号产生着联动(电磁力的作用距离是无限远)。
通过前面章节的分析,我们知道完整的传输线模型(信号路径与回流路径)是:电阻+电感并上电容和电阻(电导)。
那么,如果两条传输线相互靠近,模型中的哪些因素会相互影响呢?
换句话说,传输线A是通过什么途径,从而影响到了传输线B的呢?如下图所示。
1. 任何两个具有不同电位的导体之间都会产生电容,即两个不同电位的导体之间存在一个电场。
同理传输线A与传输线B之间也存在电容(传输线A、B之间的寄生电容),这就是互容(Cm)。传输线A与传输线B之间的电压(电场)变化,符合电容的充放电模型,相当于从传输线A通过互容Cm注入电流Im到传输线B。
电容充电电流:
Im = Cm*dVa/dt = Cm*ΔV/Tr
可得:容性串扰=ΔVb/ΔV
= (Im*Rb)/ ΔV
= Cm*(ΔV/Tr)*Rb/ΔV
= Cm*Rb/Tr
2. 根据之前章节关于互感定义:只要存在两个电流回路,就会有互感。
一个回路的电路A产生一个磁场,该磁场会穿过并影响第二个电路回路B。如上图所示,传输线A电流变化通过互感Lm在传输线B上产生感应电压Vb。
互感感应电压:Vb = Lm*dIa/dt
= Lm*(ΔV/Ra)/Tr
= Lm*ΔV/(Ra*Tr)
可得:感性串扰 = ΔVb/ΔV
= Lm* ΔV/(Ra*Tr*ΔV)
= Lm/(Ra*Tr)
3. 传输线A和B之间的漏电流非常小(电阻非常大),在实际应用中可以忽略不计,所以传输线之间的串扰分为两类:容性串扰和感性串扰。
4. 根据传输线的定义:传输线是信号路径和回流路径组成的;所以容性串扰和感性串扰也需要同时考虑信号路径和回流路径。
1, 对于容性串扰来说,信号路径电平会发生变化,但是回流路径一般是GND或VCC并不会出现跳变,所以传输线之间的互容指的是:信号路径之间的寄生电容。
如下图所示,对于共同参考平面来说,传输线A和B的回流路径是同一个导体,不存在互容。
2, 对于感性串扰来说,也同样是要考虑信号路径和回流路径,所以传输线A与传输线B之间的互感指的是:传输线A和B回路电感之间的耦合电感。
如上图所示,对于感性串扰,需要考虑传输线的回路电感:信号路径与回流路径构成的圈圈,它们之间的耦合大小。
如上我们对传输线之间的串扰进行了理论上的分析,即:串扰是两个传输线之间的容性耦合和感性耦合的综合作用。容性耦合考虑两者信号路径之间的寄生电容大小,感性耦合则要考虑两者回路电感(信号路径与回流路径构成的环路电感)之间的耦合大小。
那么两条传输线之间的容性和感性串扰的大小与什么有关?如何来感性理解串扰大还是小呢?如下图所示。
1. 串扰与传输线之间的距离成反比。
要减小互感与互容,需要增加传输线之间的距离。
2. 与信号与边沿变化率(1/Tr)成正比。
信号边沿变化越快,串扰越大。随着频率的增加感性耦合也会增加,所以在高速电路中,一般互感的影响要大于互容。
3. 回流路径不连续导致感性耦合增加,如下图回流平面上有一条缺口(回流平面被挖空),那么传输线的回流路径就会绕过这个缺口,并导致两条传输线中信号路径与回流路径组成的回路相互重叠,互感耦合急剧增加,串扰非常大。
举个栗子,好比两个线圈之间相互重叠的面积越大,那么它们之间磁力线相互穿越的数量就越多,导致互感耦合很大;极端的情况是变压器,几乎所有的磁力线都相互穿越。
如下图所示,两条导线都有良好参考平面,其串扰主要来自于传输线之间的互容和互感耦合。
平行走线间距以及平行走线距离都影响到了串扰的大小,如果在两条导线中间增加良好的GND隔离(间隔一段距离打地孔),那么对串扰有非常好的屏蔽作用。
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