高速電路設(shè)計(jì)系列講座之四北京研究所硬件與光電子部周小軍2003.9.30線間串?dāng)_與微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)主要內(nèi)容線間串?dāng)_容性耦合和感性耦合前向串?dāng)_和后向串?dāng)_串?dāng)_的抑制差分對(duì)特點(diǎn)布線微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)S、Y、Z參數(shù)第一部分串?dāng)_什么是串?dāng)_？CrossTalk線間的電磁耦合產(chǎn)生不期望的噪聲電壓包括電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合任何相鄰的傳輸線間都可產(chǎn)生入侵網(wǎng)絡(luò)和受害網(wǎng)絡(luò)只在信號(hào)跳變的時(shí)刻才會(huì)發(fā)生容性耦合和感性耦合容性耦合，即電場(chǎng)耦合，引發(fā)耦合電流，干擾源上的電壓變化在被干擾對(duì)象上引起感應(yīng)電流而導(dǎo)致電磁干擾感性耦合，即磁場(chǎng)耦合，引發(fā)耦合電壓，干擾源上的電流變化產(chǎn)生的磁場(chǎng)在被干擾對(duì)象上引起感應(yīng)電壓從而導(dǎo)致的電磁干擾容性耦合信號(hào)和感性耦合信號(hào)統(tǒng)稱為串?dāng)_高頻回流低頻回流：電阻最小的路徑高頻回流：阻抗最小的路徑，即電感最小、電容最大的路徑高頻回流傳輸線的回流總是趨向低阻抗的路徑，這種靠大電容耦合抑制電場(chǎng)，靠小電感耦合抑制磁場(chǎng)來(lái)維持低電抗的方法稱為自屏蔽每個(gè)回流信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，如果有很多傳輸線在傳輸，回流區(qū)域?qū)⒌?，產(chǎn)生區(qū)域性的磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)將對(duì)與其場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)的傳輸線產(chǎn)生感應(yīng)電壓，對(duì)這些傳輸線的信號(hào)產(chǎn)生噪聲影響，造成傳輸信號(hào)的失真回流電流密度回流引起的串?dāng)_大小和信號(hào)線之間的距離D，地平面的高度H以及系數(shù)K有關(guān)，K與信號(hào)的上升時(shí)間以及相互干擾的信號(hào)線的長(zhǎng)度有關(guān)，總是小于1電容耦合兩個(gè)電路中的導(dǎo)體，但它們靠得比較近且有電位差的時(shí)候，它們的電場(chǎng)會(huì)對(duì)對(duì)方發(fā)生感應(yīng)，相互作用，相互影響，這稱為電場(chǎng)耦合。兩個(gè)導(dǎo)體電場(chǎng)的耦合程度取決于導(dǎo)體的形狀、尺寸、相互位置和周圍介質(zhì)的性質(zhì)，也就是導(dǎo)體間的分布電容。感應(yīng)電壓是源電壓、頻率、導(dǎo)體幾何形狀和電路阻抗的函數(shù)。噪聲電壓產(chǎn)生于接收器與地之間，干擾以位于接收器和地之間的電流源形式存在C12為兩線間的耦合電容dV1/dt是入侵網(wǎng)絡(luò)的電壓變化率，與上升/下降時(shí)間有關(guān)C12C1GC2GRV1互容電流：電容耦合示意圖CICICR0RLR2GR2L電流源電感性耦合當(dāng)變化的電流產(chǎn)生磁通時(shí)，使源電路與另一電路（敏感電路）鏈環(huán)，結(jié)果出現(xiàn)磁感應(yīng)（感性）耦合。感應(yīng)電流是原電流、頻率、導(dǎo)體幾何形狀和電路阻抗的函數(shù)。當(dāng)電流在電路1中流動(dòng)時(shí)，在電路2中產(chǎn)生磁通，使電路1和2之間存在互感M12。噪聲電壓產(chǎn)生于與接收器串聯(lián)的導(dǎo)線中，干擾以串聯(lián)于接收器中的電壓源形式存在電感性耦合示意圖MR2RR1RR2互感電壓：VN＝LMdI1/dtR1I1VNI1VNV1V1LM為兩線間的耦合電感dI1/dt是入侵網(wǎng)絡(luò)的電流變化率，與上升/下降時(shí)間有關(guān)電感耦合示意圖MILILR0RLR2GR2L～電壓源串?dāng)_分析模型AB：驅(qū)動(dòng)線路 CD：受擾線路A：驅(qū)動(dòng)端 B：接收端C：近端（后向） D：遠(yuǎn)端（前向）感性串?dāng)_分析圖近端串?dāng)_：持續(xù)時(shí)間2Tpd，幅度不變遠(yuǎn)端串?dāng)_：持續(xù)時(shí)間不變（tr/tf），幅度與線長(zhǎng)成正比感性串?dāng)_分析相當(dāng)于在受擾網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)電壓源前向串?dāng)_電壓和后向串?dāng)_電壓極性相反、大小相等前向串?dāng)_電流和后向串?dāng)_電流同向且相等前向串?dāng)_具有累積效應(yīng)，持續(xù)時(shí)間短（等于驅(qū)動(dòng)源的上升/下降時(shí)間）后向串?dāng)_不具有累積效應(yīng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（等于2Tpd）前向串?dāng)_和后向串?dāng)_在V-T圖上包圍的面積相等感性串?dāng)_時(shí)序分析A：入侵網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)端信號(hào)B：入侵網(wǎng)絡(luò)接收端信號(hào)C：受擾網(wǎng)絡(luò)近端信號(hào)D：受擾網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端信號(hào)容性串?dāng)_分析相當(dāng)于在受擾網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)電流源前向串?dāng)_電壓和后向串?dāng)_電壓相等前向串?dāng)_電流和后向串?dāng)_電流大小相等、方向相反前向串?dāng)_具有累積效應(yīng)，持續(xù)時(shí)間短（等于驅(qū)動(dòng)源的上升/下降時(shí)間）后向串?dāng)_不具有累積效應(yīng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（等于2Tpd）前向串?dāng)_和后向串?dāng)_在V-T圖上包圍的面積相等容性串?dāng)_時(shí)序分析A：入侵網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)端信號(hào)B：入侵網(wǎng)絡(luò)接收端信號(hào)C：受擾網(wǎng)絡(luò)近端信號(hào)D：受擾網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端信號(hào)互感與互容的合成效應(yīng)互感串?dāng)_和互容串?dāng)_同時(shí)存在前向串?dāng)_：互感串?dāng)_極性為負(fù)，互容串?dāng)_極性為正，兩者會(huì)發(fā)生部分抵消或完全抵消后向串?dāng)_：互感串?dāng)_和互容串?dāng)_極性都為正，串?dāng)_加強(qiáng)一般只需考慮后向串?dāng)_，前向串?dāng)_可以不計(jì)互感與互容的合成效應(yīng)若兩條信號(hào)走線具有完美的參考平面，處于均勻的介質(zhì)當(dāng)中（如帶狀線），則感性和容性耦合所產(chǎn)生的前向串?dāng)_的大小相等,極性相反，相互抵消，而后向串?dāng)_則表現(xiàn)為相同極性，兩種感應(yīng)產(chǎn)生串?dāng)_電流(電壓)相互迭加對(duì)非理想的地平面（如參考平面開(kāi)槽）或微帶線，互感增大，感性耦合的影響要大于容性耦合，前向串?dāng)_不能完全抵消，感性耦合產(chǎn)生的串?dāng)_就比容性產(chǎn)生的大很多，前向串?dāng)_呈負(fù)極性，串?dāng)_電壓的波峰值可能要比后向串?dāng)_大得多后向串?dāng)_的反射實(shí)際上，源端和終端不會(huì)完全匹配后向串?dāng)_不會(huì)完全被源端吸收，部分反射會(huì)終端，對(duì)終端造成干擾后向串?dāng)_的飽和在一定的傳輸線長(zhǎng)度范圍內(nèi)，如果增加線長(zhǎng)，后向串?dāng)_電壓的峰值不變，但串?dāng)_的保持時(shí)間將變大，這種串?dāng)_電壓峰值不隨傳輸線長(zhǎng)度的增加而增大的特性稱為反向串?dāng)_的飽和后向串?dāng)_能否飽和與信號(hào)的上升/下降時(shí)間密切相關(guān)。只有當(dāng)傳輸線的延時(shí)（tpd）超過(guò)信號(hào)上升時(shí)間的一半，后向串?dāng)_才能達(dá)到串?dāng)_電壓的峰值，且大小不再隨傳輸線的延長(zhǎng)而變化后向串?dāng)_飽和現(xiàn)象分析后向串?dāng)_飽和現(xiàn)象分析上升沿的第一部分對(duì)C端引起的串?dāng)_持續(xù)時(shí)間為2Tp在2Tp之內(nèi)，如果上升沿的最后一部分還沒(méi)有開(kāi)始傳輸，那么C端的后向串?dāng)_電壓將不會(huì)到達(dá)它的飽和值當(dāng)Tp=Tr/2的時(shí)候,正好波形為一個(gè)三角形當(dāng)Tp>Tr/2的時(shí)候,將會(huì)使得后向串?dāng)_到達(dá)飽和電壓并保持2Tp-Tr的時(shí)間當(dāng)Tp<Tr/2，后向串?dāng)_將到達(dá)不到飽和值,此時(shí)的上升時(shí)間為T(mén)r’（Tr’<Tr）后向串?dāng)_電壓隨時(shí)間變化圖奇模和偶模電流對(duì)串?dāng)_的影響電磁場(chǎng)越密集，串?dāng)_就越大等幅同向的量稱為偶模量（even）；等幅反向的量稱為奇模量（odd）奇模驅(qū)動(dòng)下，電場(chǎng)耦合多，磁場(chǎng)耦合少Lodd＝L11－L12，Codd＝C11＋C12偶模驅(qū)動(dòng)下，電場(chǎng)耦合少，磁場(chǎng)耦合多Leven＝L11＋L12，Ceven＝C11－C12L11：?jiǎn)尉€分布電感 L12：耦合電感C11：?jiǎn)尉€對(duì)地電容和耦合電容之和C12：耦合電容奇模和偶模的電磁場(chǎng)虛線為磁力線，實(shí)線為電力線奇模阻抗和偶模阻抗耦合傳輸線的奇模阻抗比單端阻抗小耦合傳輸線的偶模阻抗比單端阻抗大耦合越緊，奇模阻抗和偶模阻抗差異越大；耦合越松，奇模阻抗和偶模阻抗差異越小，趨近單端阻抗奇模阻抗：偶模阻抗：奇模和偶模驅(qū)動(dòng)對(duì)線路阻抗的影響奇模和偶模驅(qū)動(dòng)對(duì)傳播速度的影響電磁場(chǎng)在介質(zhì)均勻（即處于同一介質(zhì)）的系統(tǒng)中以TEM模式進(jìn)行傳播時(shí)，L與C的積保持不變?cè)诙鄬?dǎo)體的均勻介質(zhì)中（如帶狀線、埋入微帶線），L的增大必然伴隨C的減小，反之亦然，兩者乘積不變，傳播速度不變?cè)诜蔷鶆蚪橘|(zhì)中（電磁場(chǎng)分布在不止一種介質(zhì)中，如表面微帶線），不同傳播模式下L、C的乘積不再保持恒定，傳播速度改變多導(dǎo)線系統(tǒng)中的串?dāng)_最鄰近的傳輸線產(chǎn)生的影響最大，而其它線的影響將呈指數(shù)遞減共模（所有位同相）和差模（目標(biāo)位反相）將產(chǎn)生最壞的阻抗和速度變化與參考平面的距離越近，串?dāng)_越小即使周圍的傳輸線沒(méi)有信號(hào)變化，傳輸線的阻抗也會(huì)受到一定的影響（臨近傳輸線的耦合電容效應(yīng)使阻抗變小）在給定的介電常數(shù)下，串?dāng)_對(duì)低阻抗傳輸線產(chǎn)生的阻抗改變較小串?dāng)_引起參數(shù)變化的趨勢(shì)串?dāng)_引起的阻抗變化取決于互感和互容的變化幅度大小，亦即與傳輸線的截面尺寸有關(guān)在一定的介電常數(shù)下，低阻抗傳輸線上因串?dāng)_引起的阻抗變化比高阻抗線上的來(lái)得小一些。原因在于低阻抗傳輸線和參考平面的耦合比較大。如果傳輸線與參考平面的耦合加強(qiáng)，那么它和相鄰線之間的耦合將減弱低阻抗傳輸線通常通過(guò)增加傳輸線的線寬和減少介質(zhì)的厚度實(shí)現(xiàn)。線寬太大將占用更大的布線空間，介質(zhì)太薄將大大地提高成本串?dāng)_對(duì)帶狀線阻抗的影響串?dāng)_對(duì)微帶線阻抗的影響奇模和偶模傳輸線對(duì)的終結(jié)

－Pi型終結(jié)器奇模和偶模傳輸線對(duì)的終結(jié)

－T型終結(jié)器串?dāng)_的抑制將傳輸線間的距離S增大到規(guī)則允許的最大值盡量使導(dǎo)體靠近平面層，增強(qiáng)與平面層間的耦合對(duì)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)使用差分線技術(shù)相鄰的信號(hào)層，走線彼此正交最小化信號(hào)間平行走線的長(zhǎng)度信號(hào)線應(yīng)該設(shè)計(jì)成帶狀線或埋式微帶線，以消除傳輸速度的變化妥善布局，防止布線時(shí)出現(xiàn)擁擠在滿足時(shí)序要求的前提下盡量使用上升邊沿慢的器件加入保護(hù)地環(huán)第二部分差分對(duì)差分-高速互連的趨勢(shì)Hypertransport1.6Gbps(400MHz-1.6GHz)AGP8x2.1Gbps(533MHz)3GIO2.5Gbps(2x1.25GHz)Infiniband2.5Gbps(2.5GHz)OC-482.488Gbps(2.5GHz)OC-1929.953Gbps(10GHz)RapidIO1632Gbps(1GHz,16bitmode)OC-76839.81Gbps(40GHz)第三部分微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)微波系統(tǒng)主要研究信號(hào)和能量?jī)纱髥?wèn)題信號(hào)問(wèn)題主要是研究幅頻和相頻特性；能量問(wèn)題主要是研究能量如何有效地傳輸微波系統(tǒng)必須采用場(chǎng)分析法，但場(chǎng)分析法過(guò)于復(fù)雜，需要一種簡(jiǎn)化方法微波網(wǎng)絡(luò)法就是等效電路法，在分析場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，用路的方法將微波元件等效為電抗或電阻器件，將實(shí)際的導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為傳輸線，從而將實(shí)際的微波系統(tǒng)簡(jiǎn)化為微波網(wǎng)絡(luò)，把場(chǎng)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為路的問(wèn)題來(lái)解決為什么微波引入網(wǎng)絡(luò)分析法？微波網(wǎng)絡(luò)理論與低頻網(wǎng)絡(luò)理論的關(guān)系都屬于等效電路法：描述電路（系統(tǒng)）的外部特征；用網(wǎng)絡(luò)參量建立起系統(tǒng)各端口的電壓、電流之間的關(guān)系；這些描寫(xiě)電路端口的場(chǎng)量或電路量之間關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)參量都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試出來(lái)微波網(wǎng)絡(luò)理論在低頻網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，低頻電路分析是微波電路分析的一個(gè)特殊情況微波網(wǎng)絡(luò)的特殊之處微波等效網(wǎng)絡(luò)及其參量是對(duì)某一工作模式而言，不同模式有不同的等效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參量用電壓、電流作業(yè)網(wǎng)絡(luò)端口物理量時(shí)，需要明確它們的定義需要確定網(wǎng)絡(luò)的參考面微波中的網(wǎng)絡(luò)及其參量只對(duì)一定頻段才是適用的微波網(wǎng)絡(luò)的種類一般地，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)有Y、Z和S參數(shù)可供測(cè)量分析電路網(wǎng)絡(luò)，前三個(gè)參數(shù)主要用于集總電路，而S參數(shù)則更適合于分布電路，Y稱導(dǎo)納參數(shù)，Z稱為阻抗參數(shù)，S稱為散射參數(shù)微波網(wǎng)絡(luò)的Z參量矩陣＝

微波網(wǎng)絡(luò)的Y參量矩陣＝

S參數(shù)Z和Y參數(shù)對(duì)于集中參數(shù)電路分析非常有效，各參數(shù)可以很方便的測(cè)試在微波系統(tǒng)、分布參數(shù)電路中，很難測(cè)試Z、Y參數(shù)S參數(shù)就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號(hào)以及從該端口傳向另一端口的信號(hào)來(lái)描述電路網(wǎng)絡(luò)微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)矩陣Sij代表的意思是從j口注入，在i口測(cè)得的能量。如S11定義為從Port1口反射的能量與輸入能量比值的平方根，也經(jīng)常被簡(jiǎn)化為反射電壓和入射電壓的比值S參數(shù)的含義S11：端口2匹配時(shí)，端口1的反射系數(shù)S22：端口1匹配時(shí)，端口2的反射