第3章 串?dāng)_.pdf

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1、中國(guó)PCB技術(shù)網(wǎng)翻譯整理jimmy、夾灣溝、阿鳴第三章串?dāng)_串?dāng)_,就是指一條線上的能量耦合到其他傳輸線,它是由不同結(jié)構(gòu)引起的電磁場(chǎng)在同一區(qū)域里的相互作用而產(chǎn)生的。串?dāng)_在數(shù)字電路中非常普遍地存在著：芯片內(nèi)部、PCB板、接插件、芯片封裝，以及通信電纜中,都可能出現(xiàn)。而且,隨著技術(shù)的發(fā)展,消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越傾向于小而快,在這種情況下,就必須更加注意數(shù)字電路系統(tǒng)中的串?dāng)_現(xiàn)象。為了避免和減小這些串?dāng)_,學(xué)習(xí)串?dāng)_的原理和如何在設(shè)計(jì)中避免這些現(xiàn)象的發(fā)生就顯得相當(dāng)重要。在多導(dǎo)線系統(tǒng)中,過(guò)多的傳輸線間的耦合或者說(shuō)串?dāng)_,將有兩個(gè)不利的影響。首先,串?dāng)_會(huì)改變總線中單根傳輸線的性能,

2、比如傳輸線特征阻抗和傳輸速度等，而這些將會(huì)對(duì)系統(tǒng)時(shí)序和信號(hào)完整性問(wèn)題產(chǎn)生一定的影響；再者,串?dāng)_會(huì)將噪聲感應(yīng)耦合到其他的傳輸線上,這將進(jìn)一步降低信號(hào)完整性，導(dǎo)致噪聲裕量變小。串?dāng)_對(duì)系統(tǒng)性能的危害程度在很大程度上取決于數(shù)據(jù)模式、線間距以及開(kāi)關(guān)速度等方面。在這章里,我們將詳細(xì)介紹串?dāng)_產(chǎn)生的原理,提供建模的方法，以及對(duì)串?dāng)_在系統(tǒng)性能中的各方面影響進(jìn)行詳細(xì)得闡述。3.1.互感和互容互感是引起串?dāng)_的兩個(gè)重要因素之一,互感系數(shù)L標(biāo)志了一根驅(qū)動(dòng)傳輸線通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)m另外一根傳輸線產(chǎn)生感應(yīng)電流的程度。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),如果“受害（Victim）線”和驅(qū)動(dòng)線(侵略線)的距離足夠接近，以至于

3、侵略線產(chǎn)生的磁場(chǎng)將受害線包圍其中,則在受侵略的傳輸線上將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,而這個(gè)通過(guò)磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生的電流在電路模型中就通過(guò)互感參數(shù)來(lái)表征?；ジ蠰的作用下，將根據(jù)驅(qū)動(dòng)線上的電流變化率而在受害線上引起一定的噪聲，噪聲電壓m的大小與電流變換率成正比，通常可以由下式計(jì)算：(3.1)由于感應(yīng)噪聲正比于信號(hào)的變化率,互感在高速數(shù)字電路的應(yīng)用中顯得尤為重要。互容是引起串?dāng)_的另外一個(gè)重要因素,互容是兩導(dǎo)體間簡(jiǎn)單的電場(chǎng)耦合,這種耦合在電路模型中以互容的形式表現(xiàn)出來(lái)?；ト軨將產(chǎn)生一個(gè)與侵略線上電壓變換率成正比的噪m聲電流到受害線：（3.2)同樣可以看到：感應(yīng)噪聲也是正比于信號(hào)的變化率，

4、因此互容在高速數(shù)字應(yīng)用中也是非常重要的。應(yīng)該指出的是：用來(lái)解釋噪聲耦合機(jī)理的公式3.1和3.2僅僅是一種簡(jiǎn)單的近似,對(duì)于串?dāng)_的具體計(jì)算公式會(huì)在后面的章節(jié)中給出。中國(guó)PCB技術(shù)網(wǎng)翻譯整理jimmy、夾灣溝、阿鳴3.2.電感和電容矩陣在一個(gè)系統(tǒng)中,如果傳輸線之間發(fā)生了嚴(yán)重的耦合,那么像第二章提出的使用電容和電感組成的簡(jiǎn)單傳輸線模型就不再適合分析傳輸線的電氣特征,在這種多導(dǎo)線系統(tǒng)中,我們必須考慮互感和互容來(lái)全面評(píng)估傳輸線的電氣性能。等式3.3和3.4描述了反映寄生耦合效應(yīng)影響傳輸線系統(tǒng)性能的典型方法。電感矩陣和電容矩陣被通稱為傳輸線矩陣。場(chǎng)仿真器（見(jiàn)3.3節(jié)）通常用來(lái)

5、計(jì)算傳輸線系統(tǒng)中的電感和電容矩陣，下面例子就是一個(gè)場(chǎng)仿真器給出的用于N條導(dǎo)線系統(tǒng)中的典型報(bào)告。（3．3）這里，L表示線N的自感，L表示線M和N之間的互感。NNMN（3．4）在這里,C是指?jìng)鬏斁€N上的寄生電容。它包括導(dǎo)線N自身的對(duì)地電容及和其它傳輸NN線的互容之和。C就是傳輸線N和傳輸線M之間的互容。NN例3.1:兩根傳輸線之間的矩陣圖3.1的電容矩陣為：(3.5)在這里,C11,即傳輸線1自身的電容,它的數(shù)值等于傳輸線1對(duì)地電容值（C）和對(duì)傳1g輸線2的互容值（C）之和。12(3.6)中國(guó)PCB技術(shù)網(wǎng)翻譯整理jimmy、夾灣溝、阿鳴圖3.1:理解寄生矩陣的兩導(dǎo)線

6、簡(jiǎn)單系統(tǒng)示意圖另外,圖3.1所示系統(tǒng)的感性矩陣為(3.7)這里,L11為傳輸線1的自感系數(shù)，L12是傳輸線1和2的互感系數(shù)。需要注意的是和電容值C11不一樣,L11并不是自感系數(shù)和互感系數(shù)之和。3.3.場(chǎng)仿真器場(chǎng)仿真器被用來(lái)模擬多導(dǎo)線系統(tǒng)中傳輸線之間的電磁干擾作用，并且可以通過(guò)它計(jì)算出傳輸線的特征阻抗,傳輸速度和所有自身的和相互之間寄生的參數(shù)。它的輸出結(jié)果為代表導(dǎo)體有效感性和容性參數(shù)的典型矩陣。這些矩陣是所有等效電路模型的基礎(chǔ),并且可以用來(lái)計(jì)算傳輸線特征阻抗,傳輸速度和串?dāng)_。場(chǎng)仿真器可以被分為兩類:兩維的（或者說(shuō)靜電的）,和三維的（或者說(shuō)全波的）。大部分兩維仿真

7、器得到的電感和電容矩陣是以導(dǎo)體長(zhǎng)度為變量的函數(shù)表達(dá)式，它通常適用于互連分析和建模。兩維（靜電）仿真器的優(yōu)點(diǎn)就是使用簡(jiǎn)單,通?？梢酝ㄟ^(guò)非常短的時(shí)間來(lái)完成計(jì)算。它們的缺點(diǎn)是仿真僅僅和簡(jiǎn)單的幾何尺寸有關(guān),它們是基于對(duì)電場(chǎng)的靜態(tài)計(jì)算來(lái)進(jìn)行仿真,而沒(méi)有考慮到隨頻率變化的參數(shù)所帶來(lái)的影響,比如內(nèi)在的電感和趨膚效應(yīng)引起的電阻等。但由于互連的結(jié)構(gòu)通常比較簡(jiǎn)單,而且可以通過(guò)別的方法來(lái)計(jì)算與頻域的電阻和電感變化效應(yīng)，上述缺點(diǎn)并不是很大的問(wèn)題。另外,在市場(chǎng)上也存在許多三維(全波)仿真器。他們的優(yōu)點(diǎn)是可以仿真復(fù)雜的三維空間，他們可以預(yù)測(cè)和頻率相關(guān)的損耗以及內(nèi)在的一些感應(yīng),散射和其他的一

8、些電磁場(chǎng)現(xiàn)象,包括輻射等