权威！浅谈“串扰”

[导读]串扰是两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。

串扰是两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
串扰是信号完整性中最基本的现象之一，在板上走线密度很高时串扰的影响尤其严重。我们知道，线性无缘系统满足叠加定理，如果受害线上有信号的传输，串扰引起的噪声会叠加在受害线上的信号，从而使其信号产生畸变。

串扰,就是指一条线上的能量耦合到其他传输线,它是由不同结构引起的电磁场在同一区域里的相互作用而产生的。串扰在数字电路中非常普遍地存在着：芯片内部、PCB 板、接插件、芯片封装，以及通信电缆中,都可能出现。而且,随着技术的发展,消费者对产品的要求越来越倾向于小而快,在这种情况下,就必须更加注意数字电路系统中的串扰现象。为了避免和减小这些串扰,学习串扰的原理和如何在设计中避免这些现象的发生就显得相当重要。
在多导线系统中,过多的传输线间的耦合或者说串扰,将有两个不利的影响。首先,串扰会改变总线中单根传输线的性能,比如传输线特征阻抗和传输速度等，而这些将会对系统时序和信号完整性问题产生一定的影响；再者,串扰会将噪声感应耦合到其他的传输线上,这将进一步降低信号完整性，导致噪声裕量变小。串扰对系统性能的危害程度在很大程度上取决于数据模式、线间距以及开关速度等方面。在这章里,我们将详细介绍串扰产生的原理,提供建模的方法，以及对串扰在系统性能中的各方面影响进行详细的阐述。
静态网络靠近干扰源一端的串扰称为近端串扰(也称后向串扰)，而远离干扰源一端的串扰称为远端串扰(或称前向串扰)。由于产生的原因不同将串扰可分为容性耦合串扰和感性耦合串扰两类。

互感和互容
互感是引起串扰的两个重要因素之一,互感系数标志了一根驱动传输线通过磁场对另外一根传输线产生感应电流的程度。从本质上来说,如果“受害（Victim）线”和驱动线(侵略线)的距离足够接近，以至于侵略线产生的磁场将受害线包围其中,则在受侵略的传输线上将会产生感应电流,而这个通过磁场耦合产生的电流在电路模型中就通过互感参数来表征。

互感的作用下，将根据驱动线上的电流变化率而在受害线上引起一定的噪声，噪声电压的大小与电流变换率成正比，通常可以由下式计算：

同样可以看到：感应噪声也是正比于信号的变化率，因此互容在高速数字应用中也是非常重要的。
应该指出的是：用来解释噪声耦合机理的公式，上面两个公式仅仅是一种简单的近似,对于串扰的具体计算公式会比较复杂。
电感和电容矩阵
在一个系统中,如果传输线之间发生了严重的耦合,那么前面提出的使用电容和电感组成的简单传输线模型就不再适合分析传输线的电气特征,在这种多导线系统中,我们必须考虑互感和互容来全面评估传输线的电气性能。上面两个描述了反映寄生耦合效应影响传输线系统性能的典型方法。电感矩阵和电容矩阵被通称为传输线矩阵。场仿真器通常用来计算传输线系统中的电感和电容矩阵。

例:两根传输线之间的矩阵

串扰引起的噪声
串扰是由于临近两导体之间的互容和互感所引起的。因而在临近传输线上引起的感应噪声的大小和他们之间的互感和互容大小都有关系。
例如,如果一信号进入传输线 1,由于互感 Lm 和互容 Cm 的作用,将在传输线 2 上产生一电流,为了方便起见,我们定义了两个概念：近端串扰和远端串扰。

近端串扰是指在受侵害线上靠近侵害线的驱动端的串扰(有时候也将这个串扰称为后向串扰)。将受侵害线上靠近侵害线接受端方向的串扰称为远端串扰(有时候也称为前向串扰)。由互容引起的电流分别向受侵害线的两个方向流动,而由互感引起的电流从受侵害线的远端流向近端，这是因为互感产生的电流总是与侵害线中的电流相反。所以,从受侵害线近端到远端的串扰电流由很多部分组成。

受侵害线上近端和远端串扰噪声的波形可以从图看出,当一个数字脉冲进入传输线,它的上升沿和下降沿将不断地在受侵害线上感应出噪声,在这里的讨论中，我们假设信号上升沿或者下降沿的变化速度非常快,远远小于传输线延迟。则根据前面的描述,一部分串扰噪声将传向近端,另一部分将传向远端，也就是我们所定义的近端串扰脉冲和远端串扰脉冲。

如图，远端串扰脉冲将和侵害线上的信号同步流向终端，而近端串扰脉冲将起始于侵害线上信号变化沿出现时刻，并流向近端。这样，当驱动线上的信号变化沿在时间 t＝TD（这里 TD 是信号在传输线上的延迟时间)到达传输线远端时,如果远端存在匹配,那么,侵害信号和远端串扰将在远端被匹配消除。同时，侵害信号的变化沿在被终端匹配消除前产生的最后一部分近端串扰信号将在 t=2TD 时才到达近端，这是因为,这部分信号又要经过整条传输线才能被传回近端。所以,对于一对被终端匹配好的传输线来说，近端串扰起始于 t=0 并且持2TD 的时间，或者说两倍于传输线的电气长度。相反，受侵害线远端接收到的远端串扰起始于 TD,持续时间为数字信号的上升或者下降时间。
串扰噪声的大小和形状很大程度上取决于耦合的大小与端接的情况。
假设信号在传输线上的传输时间为两倍上升时间：

在这里，X是指传输线长度，L和C是指单位长度传输线本身的电感和电容，注意：

如果

（例如，边沿变化率大于两倍的传输线延迟），近端串扰将不能到达其最大振幅，为了正确计算

时的串扰电压，近端串扰只须乘以

即可，而远端串扰不会因为长度变化而改变。需要注意的是：当上升时间小于传输线时延时（长线情况），近端串扰的最大幅值和信号上升时间没有什么关系，而当上升时间大于传输线时延的时候（短线情况），近端串扰的大小和信号上升时间有一定关系。因为这个原因，定义长传输线的标准为传输线的电气时延必须大于信号的 1/2 上升时间（或下降时间），这时可以得到，近端串扰的幅度与线长无关（即前向串扰的饱和），而远端串扰则总是取决于上升时间和线长。
假设了受侵害线上的终端电阻与传输线完全匹配，消除了不完全匹配的影响。
第一种情况的终端匹配电阻R并不等于受侵害线的传输线阻抗（为了简单起见，在这里假设了侵害线的匹配完全），此种情况下，近端和远端串扰值就必须加上各自的串扰反射电压。所以，在不完全匹配系统中，串扰信号的计算公式为：

在这里， V x 为不完全匹配情况下调整后的近端或远端串扰值，R就是终端匹配电阻， Z o 为传输线特性阻抗。
如果信号的上升或者下降时间小于传输线延迟，那么近端串扰最大幅值与上升时间无关。如果信号的上升或下降时间长于传输线延迟，那么近端串扰的大小与上升时间有关。远端串扰在任何情况下都和信号的上升或者下降时间有关。

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来源：硬十，本文整理自《中国PCB技术网》、《什么是串扰它的形成原理是怎样的》工程师周亮