快点PCB原创|SI问题之串扰

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1.        信号串扰的成因
串扰（Crosstalk），顾名思义、是指不同信号互连链路之间的相互干扰。对于传输线而言，即能量从一条传输线耦合到另一条传输线上，当不同传输线产生的电磁场发生相互作用时就会产生。
在数字电路系统中，串扰现象相当普遍，串扰可以发生在芯片内核、芯片的封装、PCB板上、接插件上、以及连接线缆上，只要有临近的铜互连链路，就存在信号间的电磁场相互作用，从而产生串扰现象。
随着系统向更小型化及更高速度方向发展，串扰对系统设计的影响也显著加大了，设计工程师必须了解串扰产生的机理以及找到更好的方法使串扰产生的负面影响最小化。
信号串扰的成因分为两种：互感、互容。
“互感”通过电磁场效应将电流从“干扰源线路”感应到邻近的“受扰线路”上。当然这要发生在“受扰线路”与“干扰源线路”足够近，这样干扰源线路电流产生的磁场包围了受扰线路传输线，从而在该传输线上产生了感应电流。通过磁场产生的感应电流在电路原理中是通过互感来表现的，互感Lm将在受扰线路上叠加上一个电压噪声，其大小与干扰源线路上驱动电流的变化成正比。由互感Lm产生的噪声的计算公式为：

因为感应噪声与电流的变化及互感成正比，所以互感在高速数字电路设计中相当的普遍而且重要。
“互容”是产生串扰的另一个成因。互容可以简单地定义为两个电极通过电场的耦合，电场的耦合在电路原理上是用互容来表示的。互容Cm会对受害传输线产生一个感应电流，该电流正比于驱动线路上电压的变化速度。由互容Cm产生的噪声的计算公式为：
       
同样，这个感应噪声正比于电压的变化速率及互容的大小，因此互容在高速数字电路设计中也变得相当重要。
2.        电感/电容矩阵
在系统中，传输线间若有比较明显的耦合现象的话（即传输线间足够近），那么传输线就不能当成单传输线来处理，它的电气特性就不能仅仅用它的单位电感与单位电容来表示。在多传输线系统中要完整地来评价传输线的电气特性必须考虑线间的互感与互容，下面两个式子描述了多传输线系统（共N条传输线）中耦合产生的的电气特性，一般都用电感与电容矩阵来表示多传输线的电气特性，这两个矩阵一般也称为传输线矩阵。
         
公式中， 是传输线N自身的电感，而 是传输线M与传输线N间的互感。 表示传输线N的总电容，它包括了传输线N自身对地的电容以及与其它所有传输线的互容。 表示传输线M与传输线N间的互容。如下图所示的双传输线系统中，传输线1的总电容 ，同样对传输线2有 。

图1 双传输线系统中电容示意图
        在实际的电路PCB中，往往N多条传输线共存，如果要考虑所有传输线间的串扰情况，那将是非常复杂的N阶矩阵。
        信号间串扰信号的仿真分析一般通过电磁场仿真器，即便如此，在建模时通常也只考虑最临近的传输线线路之间的串扰，相对整个PCB板进行仿真分析显然是不现实的。
3.        串扰引起的噪声
如下图所示，如果在传输线1中注入信号，那么在相邻的传输线上会产生由互感与互容引起的感应电流。注意区分“近端串扰”与“远端串扰”的概念：
“近端串扰”是指在受扰传输线上离干扰源传输线的驱动端相近的那一端看到的串扰（也叫反向串扰）；
“远端串扰”是指在受扰传输线上与干扰源传输线驱动端隔得比较远的那一端看到的串扰（也叫前向串扰）。

图2互容与互感引起的感应电流方向
受扰传输线上由互容产生的感应电流分为两部分分别流向近端与远端，由互感产生的感应电流从远端流向近端，这是因为互感产生与源电流方向相反的感应电流。这样，上图中近端的串扰电流与远端的串扰电流分别为：



图3串扰噪声产生时刻示意图
远端与近端产生的串扰噪声可以从上面图3中看出来。
当一个数字脉冲信号沿着信号线传输时，上升沿与下降沿就会在邻近传输线上产生连续的噪声。远端噪声与驱动线路上的信号边沿同时向远端传输，而近端噪声在信号边沿产生并向近端传输。
在驱动线路上当信号边沿到达远端的时候即t=TD（TD代表传输线的传输延时），远端串扰才会到达受扰传输线的远端，而此时在受扰线上近端串扰信号还会再沿着传输线返回，因此，在一对两端都理想端接匹配的传输线中，近端串扰会在t=0与t=2TD时间内产生，即会持续2TD时间。而远端串扰仅仅发生在t=TD时刻，而且它的持续时间基本上就等于信号的上升时间或下降时间。

图4信号上升沿产生的远端/近端串扰信号示意图
干扰源传输线驱动信号从低到高的变化过程中，在邻近传输线上产生的近端干扰与远端干扰上面图4所示。
近端串扰持续的时间远大于远端串扰的持续时间，另外从串扰电流公式可以看出，近端串扰的大小为互感与互容产生的噪声之和，而远端串扰则是这两个之差，因此近端串扰的幅度大于远端串扰的幅度。
在设计中，应用特定的叠层结构与走线方法，远端串扰是有可能完全消除的，而对近端串扰则是不可能完全消除的，对在点与点传输的线路中，进行源端的串联电阻匹配是消除近端串扰影响的最有效的方法。
串扰的幅度与传输线间的平行长度成正比，即平行长度越长、串扰越大，但这有一个极限，即平行长度到一定程度后，串扰的幅度也到了极限，并不会随之增加了。
以上对于串扰的分析介绍都基于了一种假设，即 传输线是理想匹配的，否则就会产生“信号多重反射”，在多重发射的情况下串扰分析就非常复杂了。
另外，需要关注传输线是有损耗的，串扰信号的能量同样也会在传输的过程中损耗掉一部分，因此当传输线比较长时，远端串扰信号有时可以忽略、就是因为损耗的缘故。
4.        减小信号间串扰的方法
我们知道，信号间的串扰来源于电磁场的互相干扰作用，电场的场强是离信号源中心越远则越弱，所以控制信号间串扰最直接有效的方法就是：
方法一：增加传输线或互连链路之间的间隔距离，减小串扰
在信号串扰的控制上通常有“3W规则”、“ 5H规则”的说法，所谓“3W规则”是指传输线的间距需要大于3倍的传输线线宽W，所谓“5H规则”是指传输线的间距需要大于5倍的传输线与参考平面的距离H。在实际的PCB设计中，要均衡考虑布线空间与串扰控制，遵循的规则可以理解为上面“3W”、“ 5H”两种规则的结合体：
“3H规则”，即传输线之间的间距不小于3倍的传输线与参考平面的距离H。
另外，信号在互连链路中的传输，是存在“回流路径”的，电路信号传输必须要形成闭环，它会寻找“环路电感”最小的路径回流到源端；对于有着完整参考地平面的PCB板，信号传输线会沿着传输线垂直正下方的地平面对应的投影路径返回源端，这时有着完美参考平面与回流路径的传输线的抗干扰能力是比较强的，因此：
方法二：让传输线有完整的参考回流地平面，并且层叠设计上尽可能靠近地平面
结合信号的反射理论，串扰信号在到达源端或接收端时，如果互连链路匹配不好，就会再产生反射信号，从而造成在互连链路上的多重发射，这些串扰信号多重反射的结果同样会叠加到受扰信号上，造成串扰噪声的增加，因此：（关于匹配设计方法会在后续文档介绍）
方法三：传输线及互连链路的良好匹配设计也能减小串扰
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