传输中的串扰（八）

串扰指的是有害信号从一个线网传递到相邻线网上。通常把噪声源所在的线网称为动态线或攻击线网，而把有噪声形成的线网称为静态线或受害线网。

静态线上的噪声电压的表现与信号电压完全一样。一旦在静态线上产生噪声电压，它们就会传播并在阻抗突变处出现反射。

远端串扰与近端串扰

静态线两端测得的噪声电压形式不同，把距离源端最近的一端称为“近端串扰（NEXT）”，把距离源端最远端的一端称为“远端串扰（FEXT）”。

SPICE电容矩阵与麦克斯电容矩阵

每对导线之间都会有电容，使用下标来进行区分，将导线1与导线2之间的电容记为，导线2和导线4之间的电容记为，信号路径和返回路径之间的电容记为或。

所以，为了方便使用将其放入一个矩阵中，为了充分利用矩阵使把信号路径和返回路径之间的电容放在对角线上，即用代替。得到如下一个电容矩阵。

对应的具体例子为：

对角线上的电容就为每个传输线与返回路径之间的电容，非对角线元素是耦合电容即为互容。其中对角线的电容值是最大的，而非对角线上的互容会迅速减小，将矩阵做为三维图为如下：

均匀传输线上的串扰和饱和长度

当信号线沿动态线传播时，正是互容和互感将动态线与静态相关联。噪声电流从动态流到静态线上的唯一途径就是通过这些元件，电流流经互容器，或者在互感器中产生感应电流唯一条件就是电压或电流是否发生变化。

4. 近端串扰

一对耦合传输线，耦合区的总时长TD 远大于信号的上升边RT。信号从驱动器出发进入耦合区，从攻击线流入受害线的耦合噪声开始增大，近端噪声开始出现并持续增大。只要上升边更多地进入耦合区，近端噪声就会持续增大。近端噪声增大的持续期间等于信号的上升边。这个期间之后，近端噪声已经饱和，达到最大值。

当信号的上升边RT是2xTD时，近端噪声就会达到饱和，我们称这个长度为饱和长度，可使用如下公式来计算：

近端串扰的四个重要特征：

如果耦合长度大于饱和长度，则噪声电压将达到一个稳定值。这个最大电压的幅度定义为近端串扰幅值（NEXT），通常表示为静态线上近端噪声电压与动态线上的信号电压比值。如果动态线上的电压为，静态线上的最大后向电压为，则近端串扰系数为：
如果耦合长度比饱和长度短，则电压峰值将小于NEXT。实际的噪声电太峰值与耦合长度和饱和长度的比值成比例。
近端串扰持续的总时间长度是，若耦合区的时延为1ns，则近端噪声将持续2ns。
近端串扰是由信号的上升边引起的。

噪声预算中分配的最大可容许串扰约为信号的摆幅的5% （反射噪声 5% 电源噪声5% ，一般信号的噪声容限设计为电平的15%）。但是由于一般静态线为总线的一部分，其两边都会有动态线，其近端噪声可能会提高到一般情况下的两倍。所有需要两条相邻导线时近端噪声应该小于。

经验法则：对于5mil宽的微带线和带状线，为了使近端噪声小于2%，最小线间距应约为10mil。

5. 远端扰串

远端串扰有以下四个重要特征：

从信号进入算起，一直要经过时延之后才会出现噪声。噪声在静态线上的传播速度与信号的速度相等。
远端噪声以脉冲形式出现，它是信号边沿的微分。耦合电流是由和产生的，并且在信号沿着攻击线传播同时，静态线上形成的噪声脉冲也向前传播。脉冲宽度就是信号的上升边。随着上升边减小，远端噪声的脉冲宽度也减小，而峰值增加。
远端噪声的峰值与耦合长度成比例。耦合长度增加，噪声峰值也将增加。
FEXT系数是对远端噪声峰值电压与信号电压比值的直接测度：。

一般对于远端噪声系数使用

经验法测：如果所有导线周围的介质材料是同质的，而且是均匀分布的，如两条耦合的完全嵌入式微带线或两条耦合带状线，在这种结构中就不会出现远端串扰。

6. 减小远端串扰

减小远端串扰的4个原则如下：

增加信号路径之间的间距，把线间距从w增加到3w，可以使远端串扰减小65%。
减小耦合长度。远端串扰噪声值与耦合长度成比例，而且在最小线间距情况下为4%，所以如果耦合长度很短，远端噪声的幅度就能控制的很小。
在表面层导线的上方加介质材料。当需要表面层布线而且耦合长度不能减小时，在导线上方涂敷介质层可以减小远端噪声，如加上一层很厚的阻焊层。但其会降低特性阻抗并增加近端串扰。
将敏感线布成带状线。正如带状线横截面结构所示，这些位于埋层内耦合线上的远端噪声是最小的。

对于微带线，远端串扰噪声是最主要的噪声。微带线是表层走线，当上升边减小或耦合长度增加时，远端串扰将增加。

当用微带走线时，首先要消除远端噪声可能会过大的警告提示。对可能的远端噪声进行预估，以确信它不会造成什么问题。如果真有问题，则可以加大走线间距，减小耦合长度，涂敷更多的阻焊层，或者用带状线去布较长的线。

随着线间距增大，耦合噪声迅速下降，如果只考虑相邻导线的开关，那么即便在最坏的几何结构下，仍能包括总噪声值的95%。如果考虑到每边各有两条相邻攻击线同时开关，也几乎包括了100%的耦合噪声。

总线上绝对最差情况约为基本NEXT噪声水平的2.1倍，如果噪声预算为受害线网上的串扰分配为5%电压摆幅，则可容许相邻线网之间的实际NEXT值为，即NEXT值约为2%。

7. 防护布线

减小串扰的一种方法就是增大线间距。使线间距等于线宽的两倍，可以保证最坏情况下的串扰小于5%。使用防护布线可以明显减小串扰。但是只有当设计和配置正确时，这才是有效的。

加大线间距可以得到许多好处，噪声可以减小到1/4。加入防护布线并使其两端短路，噪声就能再减小1/2。如果两端维持开路，则实际上串扰将增大。

经验法则：短路过孔应当沿防护布线分布开，在信号上升国的空间延伸里至少有3个过孔。这将保证使远端噪声与其反射重叠在一起，从而使防护布一上的噪声电压相互抵消。

8. 串扰与介电常数

使用较小的介电常数的材料，可以使布线间距相同时的串扰减小，或者是对于相同的串扰指标，可以使布线间距更小。

9. 串扰与时序

在带状线中，受害线上的信号速度与附近任何攻击线上的信号完全无关，而且串扰对时序也没有影响。

在微带线上，串扰和时序之间有着微妙的相互作用。这是由于介质料的不对称和信号线之间的边缘场不相同而共同形成的。

当攻击线上信号的开关方向与受害线上的信号的开关方向相反时，受害线和攻击线之间将有很强的场，许多电力线出现在介电常数较小的空气中。这时，受害线受到的有效介电常数有一大部分是源于空气的，与攻击线关闭时相比，有效介电常数就减小了。有效介电常数减小，导致受害线上的信号速度更快，从而时延更短。

当攻击线上信号的开关方向与受害线上信号的开关方向相同时，每条线都有相同的电位，空气中几乎没有电力线，绝大多数电力线在体介质材料中。这意味着受害受到的有效介电常数更大一点，这时，对受害线上的信号而信，有效介电常数增大，使得受害信号的速度降低，从而时延增大。

10.开关噪声

如果信号返回路径不是均匀平面，增加的感性耦合就比容性耦合高得多，这时噪声主要由回路互感主导。这通常发生在互连中很小的局部区域里，例如封装、连接器及电路板上返回路径被间隙隔断的区域。在回路占主导地位时，静态线上由互感产生的噪声仅在当动态线出现时才会出现，即边沿开关时。也正是由于这个原因，互感占主导地位时产生的噪声称为开关噪声。

地弹也是一种开关噪声的形式，减小地弹有如下3种方法：