串擾噪聲分析
發(fā)布時間:2008/10/20 0:00:00 訪問次數(shù):542
前面的部分闡述了串擾是由于相鄰導體間的互容和互感引起的,那么互容和互感也就決定了耦合到相鄰傳輸線上的噪聲。采用如圖1所示的模型來分析串擾噪聲。假設(shè)fr4基板上有兩條相鄰的50ω微帶線,線寬為w,間距為s,耦合長度為l。為了排除反射的影響,在線的兩端端接50ω匹配負載。微帶線1即動態(tài)線的一端接信號源,輸出幅度為iv的上升沿。
如圖2所示為圖1給出模型的等效電路,以及信號上升沿在傳輸線上的空間延伸g當信號沿微帶線1傳播時,它除了感受到自身的電容和電感外,還能感受到與微帶線2之間的互容cm和互感l(wèi)m。
圖1 串擾分析基本模型
圖2 串擾分析基本模型的等效電路
在信號波前覆蓋的部分,變化的電壓對cm充電,那么就有電流icm經(jīng)過cm從微帶線1流到微帶線2,此電流在微帶線2上將向兩個方向流動,分別為icm,near和icm,far,且有
icm=icm,near+icm,far
在每一個時刻,因互容引起的容性耦合電流為
式中,v為微帶線1上的信號電壓,cm為信號波前覆蓋區(qū)域上總的耦合電容:
cm=cmo×rt×v
式中,cmo為單位長度耦合電容,也就是“spice”電容矩陣中的c21。那么,注入到微帶線2上的瞬時容性耦合電流的總量為
因傳輸線是均勻的,兩個方向的電流感受的阻抗相同,則有
同時,在微帶線1上信號波前覆蓋的部分,電流也在發(fā)生變化,這一變化的電流通過互感在微帶線2上感應(yīng)出電流ilm,方向和微帶線1中的電流相反,如圖3所示。同理可得,微帶線1、2間互感中感應(yīng)的瞬時電壓為
式中,lm0為單位長度耦合電容,也就是“spice”電感矩陣中的l21。
值得注意的是,瞬時耦合噪聲與耦合電容和電感、信號速度,以及信號強度成正比,而與信號上升時間無關(guān)。因為,雖然上升時間快,信號電壓及電流變化率大,但足,上升時間越快,則信號波前的空間覆蓋區(qū)域越小。
上面對瞬時耦合電流、電壓的定義是基于一個假設(shè):微帶線1、2的耦合區(qū)域長度大于信號波前的空間覆蓋。當信號從驅(qū)動器輸出之后,信號上升沿逐漸移進耦合區(qū),信號電壓、電流變化率保持不變,但波前覆蓋區(qū)域不斷增大,則耦合電容和耦合電感不斷增大,故瞬時耦合電流和電壓不斷增大,直到信號空間前沿全部進入耦合區(qū),信號變化率繼續(xù)保持不變,而耦合電容和耦合電感也不再變化,則瞬時耦合電流和電壓達到一個穩(wěn)定值。信號空間前沿的長度為
式中,ιsat為飽和長度。在耦合長度小于飽和長度的情況下,瞬時耦合電流和電壓將無法達到上述的穩(wěn)定值。
圖3 串擾電流
信號是向前傳播的,信號波前的覆蓋區(qū)域也是以速度v向前移動的,則產(chǎn)生感應(yīng)電流的位置也是不斷向前移動的,如圖4所示將其等效為兩個沿微帶線、以速度v向前移動的電流源。這兩個電流源產(chǎn)生的電流一部分傳向近端,形成近端串擾或稱為后向串擾,—部分傳向遠端,形成遠端串擾或稱為前向串擾。但是,這兩個電流源的位置不是固定的,而是以信號傳播速度相同的速度向遠端移動,所以前向串擾和后向串擾表現(xiàn)為不同的形式。
圖4 容性串擾和感性串擾
容性串擾的近端噪聲和遠端噪聲極性相同,而感性串擾的近端噪聲和遠端噪聲極性則相反。通常,容性串擾和感性串擾是同時存在的,總的串擾為二者疊加。對于近端串擾,總的串擾電壓為
近端串擾出現(xiàn)在信號前沿進入耦合區(qū)的瞬間,并不斷增大,在信號前沿完全進入耦合區(qū)后達到穩(wěn)定值,經(jīng)過傳輸線的延遲td后,信號到達遠端,干擾信號將因信號前沿逐漸走出耦合區(qū)而減小、直到消除。但消除前的產(chǎn)生干擾信號將再過td也就是莎=2td時才到達近端。所以,近端串擾始于信號進入耦合區(qū)域的時刻,并持續(xù)2td的時間。
總的遠端串擾噪聲電壓為
前面的部分闡述了串擾是由于相鄰導體間的互容和互感引起的,那么互容和互感也就決定了耦合到相鄰傳輸線上的噪聲。采用如圖1所示的模型來分析串擾噪聲。假設(shè)fr4基板上有兩條相鄰的50ω微帶線,線寬為w,間距為s,耦合長度為l。為了排除反射的影響,在線的兩端端接50ω匹配負載。微帶線1即動態(tài)線的一端接信號源,輸出幅度為iv的上升沿。
如圖2所示為圖1給出模型的等效電路,以及信號上升沿在傳輸線上的空間延伸g當信號沿微帶線1傳播時,它除了感受到自身的電容和電感外,還能感受到與微帶線2之間的互容cm和互感l(wèi)m。
圖1 串擾分析基本模型
圖2 串擾分析基本模型的等效電路
在信號波前覆蓋的部分,變化的電壓對cm充電,那么就有電流icm經(jīng)過cm從微帶線1流到微帶線2,此電流在微帶線2上將向兩個方向流動,分別為icm,near和icm,far,且有
icm=icm,near+icm,far
在每一個時刻,因互容引起的容性耦合電流為
式中,v為微帶線1上的信號電壓,cm為信號波前覆蓋區(qū)域上總的耦合電容:
cm=cmo×rt×v
式中,cmo為單位長度耦合電容,也就是“spice”電容矩陣中的c21。那么,注入到微帶線2上的瞬時容性耦合電流的總量為
因傳輸線是均勻的,兩個方向的電流感受的阻抗相同,則有
同時,在微帶線1上信號波前覆蓋的部分,電流也在發(fā)生變化,這一變化的電流通過互感在微帶線2上感應(yīng)出電流ilm,方向和微帶線1中的電流相反,如圖3所示。同理可得,微帶線1、2間互感中感應(yīng)的瞬時電壓為
式中,lm0為單位長度耦合電容,也就是“spice”電感矩陣中的l21。
值得注意的是,瞬時耦合噪聲與耦合電容和電感、信號速度,以及信號強度成正比,而與信號上升時間無關(guān)。因為,雖然上升時間快,信號電壓及電流變化率大,但足,上升時間越快,則信號波前的空間覆蓋區(qū)域越小。
上面對瞬時耦合電流、電壓的定義是基于一個假設(shè):微帶線1、2的耦合區(qū)域長度大于信號波前的空間覆蓋。當信號從驅(qū)動器輸出之后,信號上升沿逐漸移進耦合區(qū),信號電壓、電流變化率保持不變,但波前覆蓋區(qū)域不斷增大,則耦合電容和耦合電感不斷增大,故瞬時耦合電流和電壓不斷增大,直到信號空間前沿全部進入耦合區(qū),信號變化率繼續(xù)保持不變,而耦合電容和耦合電感也不再變化,則瞬時耦合電流和電壓達到一個穩(wěn)定值。信號空間前沿的長度為
式中,ιsat為飽和長度。在耦合長度小于飽和長度的情況下,瞬時耦合電流和電壓將無法達到上述的穩(wěn)定值。
圖3 串擾電流
信號是向前傳播的,信號波前的覆蓋區(qū)域也是以速度v向前移動的,則產(chǎn)生感應(yīng)電流的位置也是不斷向前移動的,如圖4所示將其等效為兩個沿微帶線、以速度v向前移動的電流源。這兩個電流源產(chǎn)生的電流一部分傳向近端,形成近端串擾或稱為后向串擾,—部分傳向遠端,形成遠端串擾或稱為前向串擾。但是,這兩個電流源的位置不是固定的,而是以信號傳播速度相同的速度向遠端移動,所以前向串擾和后向串擾表現(xiàn)為不同的形式。
圖4 容性串擾和感性串擾
容性串擾的近端噪聲和遠端噪聲極性相同,而感性串擾的近端噪聲和遠端噪聲極性則相反。通常,容性串擾和感性串擾是同時存在的,總的串擾為二者疊加。對于近端串擾,總的串擾電壓為
近端串擾出現(xiàn)在信號前沿進入耦合區(qū)的瞬間,并不斷增大,在信號前沿完全進入耦合區(qū)后達到穩(wěn)定值,經(jīng)過傳輸線的延遲td后,信號到達遠端,干擾信號將因信號前沿逐漸走出耦合區(qū)而減小、直到消除。但消除前的產(chǎn)生干擾信號將再過td也就是莎=2td時才到達近端。所以,近端串擾始于信號進入耦合區(qū)域的時刻,并持續(xù)2td的時間。
總的遠端串擾噪聲電壓為
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