串?dāng)_分析、串?dāng)_仿真

2019-03-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

提到串?dāng)_,對于大多數(shù)信號完整性工程師來說,首先想到的應(yīng)該就是圖1所示的典型的串?dāng)_原理圖和圖2所示的典型的串?dāng)_波形。

圖1典型的串?dāng)_原理圖

圖2典型的串?dāng)_波形

從侵入線(Aggressor)的發(fā)送端注入一個具有快速上升沿的階躍信號,經(jīng)過td到達(dá)侵入線的接收端,在受害線(Victim)的兩端分別觀測到耦合造成的近端串?dāng)_(Near End Crosstalk,NEXT)和遠(yuǎn)端串?dāng)_(Far End Crosstalk,FEXT)。對于無損傳輸線,當(dāng)耦合長度大于飽和長度時,近端串?dāng)_系數(shù)為Kb,遠(yuǎn)端串?dāng)_系數(shù)為Kf,分別表示為公式(1)和公式(2),其中代表信號在傳輸線中的傳輸速度。

在此有兩個疑問:

經(jīng)典的串?dāng)_分析都是注入的信號為一個具有快速上升沿的階躍信號,如果將階躍信號替換為任意波形,那么得到的串?dāng)_波形會是什么?
為什么近端串?dāng)_系數(shù)中的常系數(shù)是1/4,而遠(yuǎn)端串?dāng)_系數(shù)中的常系數(shù)為1/2?

帶著這兩個疑問,我們重讀串?dāng)_的基本原理,試圖找到答案。

1波的傳播

函數(shù)為f(t)的波,從原點出發(fā)沿+Z方向傳輸,波的傳播速度為v,經(jīng)過時間t0到達(dá)Z0,此時波的函數(shù)表示為f(t-t0)=f(t-z0/v)。隨時間增加而增加,f(t)沿+Z方向持續(xù)移動,因此沿軸傳輸?shù)牟ǖ暮瘮?shù)可以用公式(3)來描述,公式(3)中包含兩個變量:時間t和位置z。V(z,t)=f(t-z/v) (3)

用數(shù)學(xué)的方法對公式(3)求偏微分得到一系列的方程有:

在后續(xù)求解串?dāng)_波形函數(shù)時需要用到這些公式。聯(lián)立式(5)與式(7)就能得到大家熟悉的波動方程[1],即

2互感與互容

串?dāng)_在電磁場中表現(xiàn)為相鄰傳輸線間的磁場耦合和電場耦合;在電路中分別采用互感和互容來描述磁場耦合和電場耦合的大小。

1. 互感

互感如圖3所示,自感與互感所導(dǎo)致的電壓與電流之間的關(guān)系用方程描述為式(9)。

方程組(9)表示為矩陣形式為公式(10),公式(10)中的電感矩陣中的Lii為自電感,Lij為互感。

2.互容

互容如圖4所示,自電容與互電容所導(dǎo)致的電壓與電流之間的關(guān)系用方程描述為式(11)。

方程組(11)表示為矩陣形式為公式(12),公式(12)中的電容矩陣中的Cii為總電容,Cij為互容。

3. 感性耦合

特征阻抗均為Z0的一對相鄰無損傳輸線間單位長度的互感量為Lm (Lm=L12=L21),單位長度的自電感為L0(L0=L11=L22)。感性耦合機(jī)制如圖5所示。在dz長度的線段上由于入侵線中電流的變化通過感性耦合在相應(yīng)長度的受害線線段兩端形成的電壓dVl由式(13)表示。類似于耦合變壓器,受害線中耦合信號傳輸方向與入侵線中信號方向相反.dVl作用在均勻傳輸線上所形成的反向耦合電壓dVlb與前向耦合電壓dVlf大小相等方向相反,用式(14)表示。

4. 容性耦合

特征阻抗均為Z0的一對相鄰無損傳輸線間單位長度的互容量為Cm (Cm=C12=C21),單位長度的總電容為C0(C0=C11=C22)。容性耦合機(jī)制如圖6所示。在dZ長度的線段上由于入侵線中電壓的變化通過容性耦合流向受害線的耦合電流大小dic由式(15)表示。耦合電流分為反向耦合電流dicb和前向耦合電流dicf,兩者大小相等方向相反,分別作用于均勻傳輸線上,產(chǎn)生的反向耦合電壓dvcb與前向耦合電壓dvcf用式(17)表示。

3串?dāng)_

1. 遠(yuǎn)端串?dāng)_

遠(yuǎn)端串?dāng)_也稱前向串?dāng)_,其前向傳輸時延與入侵信號傳輸時延同步,到達(dá)前向終端的電壓幅度為每一微小線段dZ所產(chǎn)生的前向耦合電壓的疊加,用式(18)表示。

2. 近端串?dāng)_

近端串?dāng)_也稱反向串?dāng)_,近端的輸出波是早期耦合波反向傳播的疊加,耦合波的傳輸距離是2倍的耦合線長。每一微小線段dZ所產(chǎn)生的反向耦合電壓傳輸?shù)绞芎€的近端終端的波形函數(shù)同時為時間和位置相關(guān)的函數(shù)。近端耦合波形函數(shù)用式(22)表示。

從式(23)中不難發(fā)現(xiàn),近端串?dāng)_波形是入侵線上注入的波形與注入波形延時2td后所形成波形的差值再乘上近端串?dāng)_系數(shù)。

若入侵線上注入的波形為快速上升沿,上升時間為tr,電壓幅度為V1,則近端串?dāng)_波形就是大家熟知的梯形脈沖,階躍脈沖所造成的近端串?dāng)_與遠(yuǎn)端串?dāng)_的計算波形如圖7所示,其中NEXT_Math和FEXT_Math分別為采用公式(19)和公式(23)計算得到的近端串?dāng)_與遠(yuǎn)端串?dāng)_波形,計算所得到的波形與仿真所得到的波形有很高的吻合度。

圖7階躍脈沖造成的近端串?dāng)_與遠(yuǎn)端串?dāng)_

若入侵線上注入的波形為方波或者正弦波,并且2倍的傳輸時延td為脈沖周期的整數(shù)倍,即公式(25)時,疊加得到的近端串?dāng)_幅度會在2td后抵消為0。對于傳輸時延為500ps的傳輸線,1GHz方波所造成的近端串?dāng)_與遠(yuǎn)端串?dāng)_波形如圖8所示。但如果2倍的傳輸時延td為脈沖周期T一半的奇數(shù)數(shù)倍,即公式(26)時,疊加得到的近端串?dāng)_幅度在后加倍。對于傳輸時延為500ps的傳輸線,1.5GHz方波所造成的近端串?dāng)_與遠(yuǎn)端串?dāng)_波形如圖9所示。