串扰模型及分类解析：近端和远端串扰详解

在PCB上，存在着大量相距很近的互连线。无论是平行的还是非平行的（如垂直或有一定的夹角）临近互连线，它们之间都存在着耦合，也正是这些耦合产生了串扰。串扰会导致信号的噪声容限裕量变小，甚至导致信号逻辑电平错误翻转，给系统设计带来很大的困难。根据产生的机理可将串扰分为容性串扰和感性串扰，分别由电场耦合和磁场耦合引起；按照串扰的传播方向，又可以分为前向串扰（又称远端串扰）和后向串扰（又称近端串扰）。严重的串扰将产生两个方面的影响：①在临近网络上产生耦合噪声，严重情况下，会导致误触发；②传输线的特性阻抗和传播速度发生改变，对时序产生影响。

串扰是不同传输线之间的能量耦合。当不同结构的电磁场相互作用时，就会发生串扰。在数字设计中，串扰现象是非常普遍的。串扰可能出现在芯片、PCB、连接器、芯片封装和连接器电缆等器件上。此外，随着技术的进步和客户要求的提高，产品向着物理尺寸更小、速度更快的方向发展，这使得数字系统中的串扰急剧增加。串扰将给系统设计带来很大的困难。

图5-5 反弹图

信号沿导线传播时，部分电场和磁场延伸到周围空间而形成边缘场。如果在比较小的区域内，有多条传输线在传输信号，回流区域将叠加在一起。每个回流信号产生的边缘场将叠加起来产生较强的区域性电磁场，反过来这些电磁场将对在其场强范围内的传输线产生耦合噪声，从而导致信号失真。由边缘场产生的耦合分为容性耦合和感性耦合，由这两种耦合产生的容性耦合噪声和感性耦合噪声统称串扰。容性耦合，即电场耦合，引发耦合电流，干扰源上的电压变化在被干扰对象上引起感应电流从而导致电磁干扰。感性耦合，即磁场耦合，引起耦合电压，干扰源上的电流变化产生的磁场在被干扰对象上引起感应电压从而导致电磁干扰。可以用电容和电感组成的电路模型来描述这两种耦合，下面将详细介绍。

1.容性串扰

当两个导体靠得比较近且有电位差时，它们的电场会在对方导体上产生感应电流，相互作用、相互影响，这称为电场耦合。电场的耦合程度取决于导体的形状、尺寸、位置和周围介质的性质，可以用导体间的分布电容来描述，干扰以位于接收器和地之间的电流源形式表示。容性耦合示意如图5-6所示。

在攻击线上信号的前沿处，才有容性耦合电流进入受害线，其中电流的一半向后流进近端负载，另一半向前流进远端负载，两者产生耦合电压的极性相同。后向电流与信号的传播方向相反，它以恒定的速度持续流回到近端。前向电流与信号的传播方向相同，每一段产生的电流是叠加在一起向远端传送。因为只有在攻击线上信号前沿经过的瞬间会产生耦合电流，所以前向电流的时间跨度为信号边沿的上升或下降时间。

图5-6 容性耦合示意图

在一定的传输线长度范围内，如果增加线长，后向串扰电压的峰值不变，但串扰的持续时间将变大，这种串扰电压峰值不随传输线长度的增加而增大的特性称为后向串扰的饱和。后向串扰能否饱和与信号的上升/下降时间密切相关。只有当传输线的传播时延超过信号上升时间的一半，后向串扰才能达到峰值，且大小不再随传输线的延长而变化。而当传输线的传播时延小于信号上升时间的一半时，后向串扰达不到峰值，其大小随传输线的延长而变化。设攻击线上信号边沿的上升（或下降）时间为R_T，互连线的传播时延为T_D，则可以得到图5-7所示的容性前向串扰和容性后向串扰的时序示意图，该端口设置为A与B分别为攻击线的驱动端和接收端，C与D定义为受害线的近端和远端。

根据以上分析，将容性串扰的特点总结如下：

1）相当于在受害线并联电流源；

2）前向串扰电流和后向串扰电流大小相等，方向相反；

3）后向串扰不具有累积效应，持续时间长（等于2T_D），沿时间轴展宽；

4）前向串扰具有累积效应，持续时间短（等于驱动信号的上升/下降时间），在幅度上累积；

5）前向串扰和后向串扰在V/T图上包围的面积相等。

图5-7 容性前向串扰和容性后向串扰的时序示意图

2.感性串扰(www.xing528.com)

当变化的电流产生磁通时，使源电路与另一电路（敏感电路）连环，结果出现磁感应（感性）耦合。当电流在电路1中流动时，在电路2中产生磁通，使电路1和电路2之间存在互感。图5-8所示干扰以串联的电压源形式表示。

图5-9所示为感性后向串扰和感性前向串扰的时序示意图，该端口设置为A与B分别为攻击线的驱动端和接收端，C与D定义为受害线的近端和远端。仅在攻击信号的前沿处，受害线上才有感性耦合电压产生耦合电流，其向后流进近端负载，向前流出远端负载。两者产生的耦合电压极性相反。感性串扰的特性与容性串扰相似。

同理，将感性串扰的特点总结如下：

1）相当于在受害网络中串联电压源；

2）前向串扰电流和后向串扰电流同向且相等；

3）前向串扰具有累积效应，持续时间短（等于驱动源的上升/下降时间）；

4）后向串扰不具有累积效应，持续时间长（等于2T_D）；

5）前向串扰和后向串扰在V/T图上包围的面积相等。

图5-8 互连线的感性串扰耦合模型

图5-9 感性后向串扰和感性前向串扰的时序示意图

3.总串扰

总串扰分为近端串扰和远端串扰。近端串扰为后向容性串扰与后向感性串扰的合成。因为后向容性串扰和后向感性极性相同，近端串扰加强。远端串扰为前向容性串扰与前向感性串扰的合成。因为前向容性串扰和前向感性极性相反，串扰会完全抵消或部分抵消。在PCB中，若两条信号走线具有完美的参考平面，且处于均匀的介质中（如带状线），则感性和容性耦合所产生的前向串扰的大小相等，极性相反，相互抵消。对非理想的地平面（如参考平面开槽）或微带线，互感增大，感性耦合的影响要大于容性耦合。所以，前向串扰间不能完全抵消，远端串扰呈现出感性串扰的极性，而且它的电压峰值可能要比近端串扰大得多。

近端串扰和远端串扰不是绝对的，会互相转化。前向串扰在到达远端后，如果远端没有进行端接，串扰电压反射回近端，转化为近端串扰；同理，后向串扰在到达近端后，如果近端没有进行端接，串扰电压反射回远端，转化为远端串扰。为了抑制串扰的多次反射，需要同时对攻击网络和受害网络进行合适的传输线端接。

4.串扰对时序的影响

耦合系统中，信号的开关模式会影响传输线的电容和电感参数，下面以两线耦合系统为例来说明这种情况。两线耦合系统中，信号的开关模式分为奇模和偶模。当信号等幅同相时，互连线处于偶模激励模式；当信号等幅反相时，互连线处于奇模激励模式。这两种模式在信号传输过程中相互独立、互不干扰，但是耦合线上的电磁场分布却是不同的，图5-10给出了相应的示意。

奇模模式时，电场耦合多，磁场耦合少；偶模驱动下，电场耦合少，磁场耦合多。当电磁场在均匀介质中（如带状线、埋式微带线）以TEM模式传播时，奇模模式和偶模模式对应的传播时延不变，亦不会对时序造成影响。而电磁场在非均匀介质中（如表面微带线）以准TEM模式传播时，不同传播模式下传播速度发生变化，对时序造成影响。