硬件系统工程师宝典(6)-----如何减小信号串扰?

news2025/2/26 6:52:36

各位同学大家好,欢迎继续做客电子工程学习圈,今天我们继续来讲这本书,硬件系统工程师宝典。

上篇我们说到描述信号传输的过程的需要做好阻抗匹配,以减小信号的反射。今天我们来看看传输线之间的噪声干扰,那就是信号的串扰。

信号的串扰

串扰是指当信号在传输线上传播时,因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰。这种干扰是由于两条信号线之间的耦合,即信号线之间的互感和互容耦合引起的。

容性耦合:由于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。

电场通过容性耦合对邻近传输线的影响

如上图所示,两根相邻的传输线,如果靠得很近,当一根线上有电压变化,会产生电场对另一根线耦合出电流的变化。

感性耦合:由于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的电磁干扰。

磁场通过感性耦合对邻近传输线的耦合影响

如上图所示,两根相邻的传输线,如果靠得很近,当一根传输线上有电流变化时,会在这根传输线上产生磁场并对另一根传输线耦合出电场信号变化。

上述的两类噪声信号,容性耦合信号和感性耦合信号,统称为串扰。

信号的回流

在理解串扰之前,要先了解高频信号的回流,这是分析串扰等一系列信号完整性问题的重要基础。如下图所示:

高、低频下的信号回流路径

在低频下,电流沿着电阻最小的路径流回,而在高频情况下,电流沿着电感最小的回路流回,这也是阻抗最小的路径,表现为回路电流集中分布在信号走线的正下方。作者说,高频情况下,当一根信号走线直接在接地层上布置时,即使存在更短的回路,回路电流也要沿着信号路径下方的参考平面层流回信号源,这条路径必须具有回流电流所能通过的最小阻抗,即电感最小和电容最大(Z=),大电容耦合抑制电场,小电感耦合抑制磁场,这种方法称为自屏蔽。

每个回流信号将产生一个磁场,如果有多根传输线在传输,那么叠加的磁场对传输线产生的感应电压就会对传输线产生噪声影响,造成传输信号的失真。参考平面的感应电压引起的串扰满足,Crosstalk=,式中参数如下图所示,K与信号的上升时间及相互干扰的信号线长度有关:

参考平面上的串扰

如何减小串扰

1.增加走线间距,如下图所示,增大了耦合距离,耦合到相邻信号线上的能量会减少。

增加走线间距,减弱耦合强度图示

2.缩短信号线平行走线的耦合长度

3.尽可能增大信号的上升时间或下降时间,降低信号的有效带宽,减小高频信号的影响

4.合理采用端接匹配技术,减弱信号的反射

5.相邻信号层走线时,走线相互交叉

6.使信号线有一个良好的返回路径,降低返回路径的感抗,从而降低信号的波动,减弱信号对外的干扰强度。


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