高速数字电路设计之串音分析

由于目前大部分的数字电路中，要求时序控制时间已达到 psec 的范围。因此，在这些系统中，各种组件相互链接的导体不应再只被看作是一根简单的导线，而应将视之为呈现了高频效应的传输线。如果这些传输线没有经过合理的设计，而仍然以低频的角度来看待这些传输线，那么它们将破坏讯号的完整性（Signal Integrity；SI），而却无法分析之。
就以计算机内部中央处理器（CPU）的速度来说，目前P4的中央处理器的速度约达到3.0 GHZ左右。试想，如此高速的频率，相对所产生的传输线效应一定更为显著，因此在设计时就需更加的注意。当电路的处理效能达到高速阶段时（所谓高速是以其讯号的上升时间与导线的长度来做判断），其传输线高频的效应便会呈现出来，开始有了种种电气特性上的问题，例如：导线上的传输延迟、特性阻抗的改变、阻抗不匹配所产生的反射、导线间耦合所产生的串音等等。
基于上述的种种传输线高频效应，会破坏数字信号的完整性，使电路产生误动作，因此在设计电路之前，若能对高速数字电路设计有所了解，便可免除日后Debug的程序，且提高工作效率，相对的也降低了所需的成本，一举数得。
本文将针对高速数字电路设计（High-Speed Digital System Design）中最常见的串音噪声作一分析与探讨。

串音机制

「串音」常普遍的被考虑其对信号的影响在两导线之间会有哪些噪声的干扰，就是指一条导线上的能量耦合到其他导线上。它是由导线上通以信号所引起的电磁场交互作用而产生的；包括芯片（Chip）内部、PCB（Printed Circuit Board）板、链接器（Connector）、芯片封装，以及通信电缆中，都可能出现。而随着技术的发展,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音现象；因此为了避免和减小这些串音，学习并了解串音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。
过度的导线耦合，即串音噪声过大时，将造成不良的影响有：
1.改变信号的完整性
2.改变传输线的时序（timing）
3.改变传输线的特性阻抗。
针对以上所提的串音问题，可以利用SPEED2000或是HSPICE进行时域模拟与分析，观察其在电路板上的电气特性行为。
图1.1为两耦合导线间的等效电路架构，导线1代表干扰线、导线2代表受扰线。在此已考虑了传输线效应，所以可用离散模型以一个（ ）LC网络来描述耦合传输线的结构，实际上等效电路应包含R、L、G、C四个组件，但因此处暂不考虑传输线损耗的情形下，所以只需考虑L、C两组件即可。值得注意的地方是整条传输线应是由不断延伸多对的LC网络所组合而成的，并非只有一段L、C电路（ 此方式有一个要素就是每个LC网络的导线延迟时间须远小于信号的波长或是上升时间 ）。由图可看出两耦合导线间的等效电路中存在着互感（Lm）、自感（Ls）、互容（CM）与自容（Cs）。
　
图1.1　耦合导线间的等效电路架构
互感Lm感应电流从干扰线到受扰线，感应电流是因为磁场的缘故。事实上，如果受扰线很邻近于干扰线，那么磁场将传递到达了受扰线（如图2.2所示），受扰在线便会感应出电流噪声。互感Lm注入一个噪声电压 到受扰线，噪声电压 的大小取决于干扰线电流 对时间的变化率。其计算式为：
-------------------------（1）
的大小和 的变化率成正比。Lm则是和导线间回路的距离成反比；导线间距越大，Lm越小。
　
图1.2　磁场的分布
互容Cm感应电压从干扰线到受扰线，感应电压是因为电场的缘故。基本上，如果受扰线很邻近于干扰线，那么电场将传递到达了受扰线（如图1.3所示），受扰在线便会感应出电压噪声。
　
图1.3　电场的分布
　
互容Cm注入一个噪声电流到受扰线，噪声电流的大小取决于干扰线电压对时间的变化率。其计算式为：
----------------------（2）
的大小和 的变化率成正比。Cm则是和导线间的距离成反比；导线间距越大，Cm越小。
此外，在多导体的系统中，则必须考虑电感和电容系数来全面评估传输线的电气特性。而用以描述反映寄生耦合效应影响传输线系统性能的典型方法便是，电感矩阵和电容矩阵（ 被通称为传输线矩阵 ）。
在此举一个实际PCB板上两导体的例子来说明电容与电感矩阵。参照（图 1.1）。
Capacitance matrix Inductance

matrix
其中 ， ， ，
所以可知
若有N个导体，则其矩阵应改写为：

串音噪声分析

串音是由于临近两导体之间的互容和互感所引起的。因而在临近传输在线引起的感应噪声大小和他们之间的互感和互容大小都有关系，而其大小是由两导体的几何参数与介质系数所决定。串音噪声一般分为两种：近端