【经验】串扰问题产生的原因及解决办法、串扰仿真与测试
随着技术的飞速发展， 电子产品的尺寸越来越小，而数据的传输速度却越来越高。普通消费类电子产品的PCB电路板都至少都是四层，六层甚至以上。当两个不同的高速信号传播路径太靠近，他们彼此的电磁场就会互相影响，发生串扰。当然，串扰产生的实际原因要复杂得多，为了能更好的解决串扰问题，让我们先来了解一下串扰的产生机理吧。
串扰是怎么产生的？
当信号沿传输线传播时，信号路径和返回路径之间将产生电力线；围绕在信号路径周围就会产生延伸到周围空间的磁场。这些延伸出去的场称为边缘场，边缘场将会通过互容与互感转化为另一条线上的能量。而串扰的本质，其实就是传输线之间的互容与互感。
串扰可以分成两部分，一部分与信号方向相同，传至接收端方向，我们把它叫做远端串扰或者前向串扰。另一部分与信号方向相反，传至发送端方向，我们把它叫做近端串扰或者后向串扰。
近端串扰和远端串扰是由传输线的物理结构而决定的，显然在信号的传递过程中近端会首先受到干扰，并且持续的时间比较长，达到传输线的2倍；远端串扰需要经过一段传输线的延时之后才会受到干扰。
近端串扰和远端串扰波形
串扰与哪些因素有关？
知道了串扰是怎么产生的， 我们就可以明白哪些设计会影响串扰。影响串扰的设计因素主要有以下几个方面：
1. 线间距
信号路径之间的距离越近，串扰越明显，随着线间距的增大，无论是近端还是远端串扰都将减小，当线间距大于等于线宽的3倍时串扰已经很小。三倍线宽是工程师们信心的来源，在三倍线宽条件下，串扰基本可以忽略。
2. 信号变化程度
信号瞬间变化会带来明显磁场效应。信号的上升沿/下降沿越陡峭，串扰越明显。
3. 介质层厚度
这里的介质厚度是指信号到参考层距离。介质层厚度的变化会导致串扰的变化。一般情况下，介质层厚度越小，串扰越小。
如何解决串扰？
Tips 1
1. 在情况允许范围内尽量增大线间距，这样会使串扰明显的减小；但是要考虑到布线空间是否能满足设计的要求。
2. 仔细选择元器件和设计电路，在满足信号完整性和功能的要求下，降低上升沿/下降沿速度，减小串扰。
3. 在设计PCB时，使信号网络尽量靠近参考网络，这样可以减少相邻信号网络的串扰。
Tips 2
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如何进行串扰的仿真
在分析串扰时，仿真是一种常用的手段。串扰的仿真又分为定性的仿真分析和定量的仿真分析。
定性仿真分析主要是针对某一个特定的拓扑结构，分析某一因素或者某几个因素对串扰大小的影响，分析的是变化的趋势。定量仿真分析，就是针对特定的物理结构、模型以及激励源等分析串扰的大小以及对受害端的影响。串扰仿真简化的拓扑结构如下图所示：
前面介绍了串扰与传输线耦合间距、激励源的上升时间、信号到参考层的距离有关系。下面以串扰与传输线的耦合间距的关系为例进行仿真，搭建仿真拓扑结构如下图所示：
运行仿真后获得远端串扰和近端串扰的波形曲线，如下图所示：
左图为近端串扰，右图为远端串扰。使用微带线时，随着传输线的耦合间距增加，不管是近端串扰还是远端串扰，幅值都在变小。
针对其它影响的因素，大家可以按照此方式进行仿真对比。
这是原理图的串扰仿真，原理图的仿真有利于研究某些特定的现象，通过原理图的仿真也可以给设计工程师提供设计的规则，避免一些设计错误。原理图仿真并不能完全解决PCB设计中可能遇到的问题，因为信号的干扰不仅仅来自于同一平面，还来自与不同层的相互干扰，特别是当相邻层都有布线以及过孔密集区域，串扰的问题也可能会非常的严重。
分析PCB的串扰特性，可以使用电磁场分析软件，比如SIPro、Momentum或者EMPro获取S参数，因为S参数矩阵中包含了传输线每一个端口的串扰信息，通过S参数就可以分析到PCB的串扰大小。
以一对差分传输线为例，如下图所示，显然P1-P4为远端串扰，P1-P3为近端串扰。
这个PCB结构为带状线的，仿真后可以获得一个4端口的S参数，串扰曲线如下图所示：
从上图可以看出，远端串扰S(4,1)比较低，近端串扰S(3,1)稍微比较高一些。
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本文由微电子Chensir转载自Keysight，原文标题为:串扰问题太恼人？请收下这份串扰仿真与测试白皮书，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。
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