信号在微带线/带状线中传输时影响串扰的因素分析---上升沿时间、耦合线长度、耦合线间距

文摘   2024-10-12 11:30   上海  

       从上一篇(高速信号在传输线中传输的串扰问题机理分析)串扰的形成机理和影响因素可以看到,有很多的因素都会影响串扰的形成、大小,这篇将分析其中的几个影响因素。

上升沿对串扰的影响

       建立如下的评估原理图,选择理想的微带线,同时改变信号激励的上升沿/下降沿时间,来仿真信号线的近端远端串扰变化情况。其中传输线的长度设置为2000mil,这个长度为耦合长度,而在对传输线进行仿真时得到的饱和长度大约为trf*7in/ns。

       仿真结果如下图,输入数据的上升下降沿时间从0.2ns到1.2ns进行扫面,左侧为近端串扰波形,右侧为远端串扰波形。

       从上面的近端串扰仿真结果可以看到,当饱和长度小于耦合长度时,近端噪声电压达到一个稳定值;同时随着tr的增加,饱和长度大于耦合长度时,近端噪声电压幅度与饱和长度成反比;而串扰噪声的持续时间为2TD。    

       而远端噪声大概出现在0.3ns后,脉冲的宽度为tr,可以看到这个脉宽形成的面积是一样的,远端串扰噪声随着tr的增大而减小,成反比关系。

       基于上面的仿真实验可以看到,上升沿时间对应的饱和长度小于耦合长度时,近端串扰噪声电压达到稳定值;随着tr的增大近端远端串扰的噪声均减小。

耦合长度对微带线串扰的影响

       评估耦合线的长度依旧选择上述的原理图,改变耦合线的长度从1in~10in范围内,仿真对应的近端远端串扰噪声的情况,如下是仿真图,左图为远端串扰噪声图,右图为近端串扰噪声图。

       从结果中可以看到,远端噪声随着传输线耦合长度的增加而增加,而近端串扰噪声则在耦合长度增加到一个值后达到噪声达到一个稳定地值。而此时接收端的输入信号如下图结果所示,可以看到信号的延迟正比于传输线耦合的长度。    

       上面是耦合长度变化对微带线的串扰噪声的影响,接下来看看对带状线的影响。

耦合长度对带状线串扰的影响

       下图为带状线的仿真电路图和带状线的TRL仿真,从TRL可以看到传输线长度为5.63in,则1GHz频率下相当于传输延时1ns。

       下图为仿真结果,左侧为远端串扰结果,右侧为近端串扰结果,现象结果与前面的趋势一直,近端串扰很小,趋势以包和长度为界限变化,而远端串扰随耦合长度变长而增大,并且延迟也增大。    

       下图为接收端侧的波形,只存在一个延迟的差异。

       同样从上面的仿真可以看出,耦合长度小于饱和长度时,近端串扰噪声与耦合长度成正比,知道耦合长度大于饱和长度后,噪声稳定。带状线由于奇模速度几乎等于偶模速度,因此远端耦合噪声非常小,这样就可以使用厚的阻焊层来减小微带线的远端串扰。

耦合间距对微带线/带状线串扰的影响

       接下来是对微带线、带状线进行传输线中的耦合间距是怎么影响的串扰进行的评估,如下图是仿真原理图,上图为微带线,下图为带状线的仿真拓扑结构。分别针对不同的耦合间距仿真,查看近端远端串扰噪声的变化情况。    

       如下图是微带线不同耦合间距下的近端串扰、远端串扰的噪声波形,可以看到,对微带线近端串扰噪声而言,2倍间距串扰是1倍间距串扰的36.5%,3倍间距是2倍间距串扰的18.4%,而到了7倍间距的时候串扰噪声降低到4.2%。同样对远端串扰而言,随着耦合间距的增大,串扰噪声大幅度的降低。所以在进行微带线设计的时候,尽量使得耦合线间的间距在3倍以上,这样有利于降低串扰产生。

       同样地,对带状线而言,当传输线耦合间距从1倍拉远到2倍时,串扰降低2/3,拉远到3倍间距时串扰则再降2/3;随着间距的拉大,带状线比微带线的串扰下降更快,这也就是为什么在进行高速信号设计时希望将信号线走下叠层内层,这就是为了降低串扰的影响。    

       以上先是从上升沿时间、耦合线长度、耦合先间距的角度分析信号在微带线、带状线传输时产生串扰噪声的情况,后面将继续分析其他的影响串扰的因素。    


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