串扰

串扰(Crosstalk)

串扰是信号在传输线上传播时,由于电磁耦合而在相邻的传输线上产生不期望的电压和电流噪声,信号线的边缘场效应是导致串扰产生的根本原因。

信号沿传输线传播时,在信号路径与返回路径将产生电力线与磁力线匝,电磁场会延伸到周围的空间,这些延伸出去的场称为边缘场。

静态网络靠近干扰源一端的串扰称为近端串扰(后向串扰),远离干扰源一端的串扰称为远端串扰(前向串扰)。根据串扰产生的原因不同将串扰分为:容性耦合串扰与感性耦合串扰。

一、容性耦合串扰:

容性耦合是当干扰线上有信号传输时,由于信号边沿电压的变化,在信号边沿附近的区域,干扰线上的分布电容会感应出时变的电场,而受害线处于这个电场里面,所以变化的电场会在受害线上产生感应电流。    

二、感性耦合串扰:

感性耦合当信号在干扰线上传播时,由于信号电流的变化,在信号跃变的附近区域,通过分布电感的作用将产生时变的磁场,变化的磁场在受害线上将感应出噪声电压,进而形成感性耦合电流,并分别向近端和远端传播。       

三、容性耦合与感性耦合的混合效应:    

由于电流流向与远端容性耦合的电流方向是反向的,所以到达受害线远端的耦合电流是两者之差。一般在完整的参考地平面上,容性耦合与感性耦合产生的串扰电压大小相等,因此远端串扰的总噪声因为容性耦合与感性耦合产生电流极性相反,而磁场互相抵消。

对于带状线更能够显示两者之间很好的平衡,其远端耦合系数极小,而对于微带线,由于与串扰相关的电场大部分是穿过空气,而不是其它的绝缘材料,因此容性耦合比感性耦合小,导致其远端串扰是个负数。

四、影响串扰大小的因素:

4.1、耦合长度对串扰的影响:

对于远端串扰峰值与耦合长度成正比,耦合长度越长,串扰越大;而对于近端串扰,当耦合长度小于饱和长度时,串扰将随耦合长度增加而增加,但是当耦合长度大于饱和长度时,近端串扰为一个稳定值。

4.2、线间距对串扰的影响:

串扰的大小与线间距成反比,随着线间距的增大,无论是近端串扰还是远端串扰都将减小,当线间距3倍线宽时,串扰已经很小了。

4.3、信号的边沿翻转速度对串扰的影响:

串扰的大小与信号的边沿翻转速度成正比,即信号的上升沿/下降沿越快(越陡峭),则串扰越大。信号的频率高并意味着上升沿/下降沿越快,同理信号频率低也不意味着上升沿/下降沿越慢。    

4.4、其它影响串扰的因素:

串扰的大小还受介质厚度、电流方向、负载大小等因素影响。

4.5、如何抑制串扰:

  • 加大PCB布线间距。
  • 减小PCB布线平行长度,或者采用垂直交叉布线的方式。
  • 减缓信号上升沿与下降沿。
  • PCB布线紧邻参考地平面或者电源层。
  • PCB布线之间增加地线屏蔽,减小串扰。
  • 通过端接,抑制信号反射,减小串扰。
  • 降低信号驱动电流和工作电压。
  • 采用带状线抑制串扰。
  • 采用3W PCB布线原则。
  • 使用介电常数较低的叠层。
  • 在封装和接插件中不要共用返回引脚
  • 改变负载大小。
  • 采用差分信号的布线方式。    
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