近年來(lái)數(shù)字電路工作速度的提高，PCB、連接器、背板上信號(hào)的傳輸速率也越來(lái)越高，其中串行數(shù)據(jù)通信在高速數(shù)據(jù)傳輸中占據(jù)主導(dǎo)地位。目前USB3.1的信號(hào)速率已經(jīng)達(dá)到10Gb/s，HDMI2.1的信號(hào)速率達(dá)到12Gb/s， PCI-E Gen4的信號(hào)速率能夠支持16Gb/s甚至更高速率的PCI-E Gen5即將發(fā)布，高速FPGA的串行高速接口速率則從8Gbps猛增到28Gbps。
隨著電子工程師不斷把設(shè)計(jì)推向技術(shù)與工藝的極限，電子產(chǎn)品集成度增加，使得電路板尺寸不斷變小，布線密度越來(lái)越大，與此同時(shí)信號(hào)頻率也在不斷提升，使得串?dāng)_問(wèn)題日益突出。串?dāng)_現(xiàn)象是高速、高密度電路設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，串?dāng)_分析已經(jīng)成為系統(tǒng)性能測(cè)試中不可或缺的測(cè)試項(xiàng)目。
中星聯(lián)華科技（北京）有限公司基于多年來(lái)對(duì)信號(hào)質(zhì)量的研究和測(cè)試儀器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)目前在高速背板、連接器等高速傳輸鏈路中遇到的串?dāng)_問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出集串?dāng)_信號(hào)產(chǎn)生、測(cè)試分析等功能的測(cè)試系統(tǒng)，為模擬和測(cè)試被測(cè)件在真實(shí)環(huán)境中的運(yùn)行狀態(tài)提供了有力保障。
1.什么是串?dāng)_？
串?dāng)_是目前信號(hào)完整性中最常見(jiàn)的研究現(xiàn)象之一，高度密集的板間走線和間距狹小的走線都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)間串?dāng)_。在下圖所示的典型高速背板傳輸鏈路中，串?dāng)_現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，對(duì)系統(tǒng)性能的影響也不容忽視，往往會(huì)導(dǎo)致板卡工作不穩(wěn)定甚至無(wú)法正常工作
根據(jù)電路疊加原理，在無(wú)源電路中當(dāng)其他的傳輸線有信號(hào)在傳輸時(shí)，串?dāng)_引起的噪聲將會(huì)疊加在受害線上，信號(hào)受其影響會(huì)產(chǎn)生波形失真、畸變等。當(dāng)串?dāng)_噪聲疊加在被干擾信號(hào)的高低電平上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幅度噪聲或影響眼圖高度。下圖很直觀的表現(xiàn)出串?dāng)_對(duì)眼圖的影響。
當(dāng)串?dāng)_噪聲疊加在被干擾信號(hào)的跳變邊沿位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生邊沿的抖動(dòng)，進(jìn)而影響上升下降時(shí)間或者是眼圖寬度。由于干擾源的不確定性，串?dāng)_噪聲一般會(huì)同時(shí)影響被干擾信號(hào)的上升下降時(shí)間和幅度。
串?dāng)_耦合方式通?？煞譃閮煞N，即公共阻抗耦合和電磁場(chǎng)耦合。公共阻抗耦合是因?yàn)椴煌盘?hào)共用公共返回路徑引起的，這種耦合通常在低頻時(shí)起決定作用。電磁場(chǎng)耦合主要發(fā)生在高頻時(shí)，又可分為電感性耦合（互感）與電容性耦合（互容）。通常所說(shuō)的串?dāng)_是指電磁場(chǎng)耦合。
電磁場(chǎng)耦合屬于近場(chǎng)耦合，其機(jī)理是在高頻時(shí)PCB上的任何兩個(gè)器件（諸如芯片、PCB板、連接器、芯片封裝和連接器電纜等器件或?qū)Ь€）之間存在互容和互感，在多導(dǎo)體系統(tǒng)中，導(dǎo)體間通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)發(fā)生耦合。這種耦合會(huì)把信號(hào)的一部分能量傳遞到鄰近的導(dǎo)體上，從而形成干擾噪聲。當(dāng)一個(gè)器件或一條信號(hào)線上的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，其變化會(huì)通過(guò)互容和互感耦合到其他器件或信號(hào)線，即串?dāng)_耦合。
當(dāng)干擾線上有信號(hào)傳輸時(shí)，由于信號(hào)邊沿電壓的變化，在信號(hào)邊沿附近的區(qū)域，干擾線上的分布電容會(huì)感應(yīng)出時(shí)變的電場(chǎng)，而受害線處于這個(gè)電場(chǎng)里面，所以變化的電場(chǎng)會(huì)在受害線上產(chǎn)生感應(yīng)電流?？梢园研盘?hào)的邊沿看成是沿干擾線移動(dòng)的電流源，在它移動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)電容耦合不斷地在受害線上產(chǎn)生電流噪聲。
當(dāng)信號(hào)在干擾線上傳播時(shí)，由于信號(hào)電流的變化，在信號(hào)躍變的附近區(qū)域，通過(guò)分布電感的作用將產(chǎn)生時(shí)變的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在受害線上將感應(yīng)出噪聲電壓，進(jìn)而形成感性的耦合電流，并分別向近端和遠(yuǎn)端傳播。
與容性耦合電流不一樣的是，感性耦合電流的方向與干擾線上信號(hào)傳播的方向是反向的，向近端傳輸時(shí)，電流回路是從信號(hào)路徑到返回路徑，而向遠(yuǎn)端傳輸時(shí)，電流回路則是從返回路徑到信號(hào)路徑。
對(duì)于近端感性耦合串?dāng)_，其特征與近端容性耦合串?dāng)_非常相似，也是從零開(kāi)始迅速增加，當(dāng)傳輸長(zhǎng)度大于等于飽和長(zhǎng)度以后，將穩(wěn)定在一個(gè)固定值，持續(xù)時(shí)間是兩倍的傳輸延遲。因?yàn)榱飨蚪说母行择詈想娏髋c容性耦合電流同向，所以兩者將疊加在一起。
隨著電子工程師不斷把設(shè)計(jì)推向技術(shù)與工藝的極限，電子產(chǎn)品集成度增加，使得電路板尺寸不斷變小，布線密度越來(lái)越大，與此同時(shí)信號(hào)頻率也在不斷提升，使得串?dāng)_問(wèn)題日益突出。串?dāng)_現(xiàn)象是高速、高密度電路設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，串?dāng)_分析已經(jīng)成為系統(tǒng)性能測(cè)試中不可或缺的測(cè)試項(xiàng)目。
中星聯(lián)華科技（北京）有限公司基于多年來(lái)對(duì)信號(hào)質(zhì)量的研究和測(cè)試儀器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)目前在高速背板、連接器等高速傳輸鏈路中遇到的串?dāng)_問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出集串?dāng)_信號(hào)產(chǎn)生、測(cè)試分析等功能的測(cè)試系統(tǒng)，為模擬和測(cè)試被測(cè)件在真實(shí)環(huán)境中的運(yùn)行狀態(tài)提供了有力保障。
1.什么是串?dāng)_？
串?dāng)_是目前信號(hào)完整性中最常見(jiàn)的研究現(xiàn)象之一，高度密集的板間走線和間距狹小的走線都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)間串?dāng)_。在下圖所示的典型高速背板傳輸鏈路中，串?dāng)_現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，對(duì)系統(tǒng)性能的影響也不容忽視，往往會(huì)導(dǎo)致板卡工作不穩(wěn)定甚至無(wú)法正常工作
圖１型的高速背板傳輸鏈路示意圖
根據(jù)電路疊加原理，在無(wú)源電路中當(dāng)其他的傳輸線有信號(hào)在傳輸時(shí)，串?dāng)_引起的噪聲將會(huì)疊加在受害線上，信號(hào)受其影響會(huì)產(chǎn)生波形失真、畸變等。當(dāng)串?dāng)_噪聲疊加在被干擾信號(hào)的高低電平上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幅度噪聲或影響眼圖高度。下圖很直觀的表現(xiàn)出串?dāng)_對(duì)眼圖的影響。
（ａ）發(fā)送端眼圖 （ｂ）接收端經(jīng)過(guò)干擾眼圖
當(dāng)串?dāng)_噪聲疊加在被干擾信號(hào)的跳變邊沿位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生邊沿的抖動(dòng)，進(jìn)而影響上升下降時(shí)間或者是眼圖寬度。由于干擾源的不確定性，串?dāng)_噪聲一般會(huì)同時(shí)影響被干擾信號(hào)的上升下降時(shí)間和幅度。
邊沿受到干擾的信號(hào)
串?dāng)_耦合方式通?？煞譃閮煞N，即公共阻抗耦合和電磁場(chǎng)耦合。公共阻抗耦合是因?yàn)椴煌盘?hào)共用公共返回路徑引起的，這種耦合通常在低頻時(shí)起決定作用。電磁場(chǎng)耦合主要發(fā)生在高頻時(shí)，又可分為電感性耦合（互感）與電容性耦合（互容）。通常所說(shuō)的串?dāng)_是指電磁場(chǎng)耦合。
電磁場(chǎng)耦合屬于近場(chǎng)耦合，其機(jī)理是在高頻時(shí)PCB上的任何兩個(gè)器件（諸如芯片、PCB板、連接器、芯片封裝和連接器電纜等器件或?qū)Ь€）之間存在互容和互感，在多導(dǎo)體系統(tǒng)中，導(dǎo)體間通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)發(fā)生耦合。這種耦合會(huì)把信號(hào)的一部分能量傳遞到鄰近的導(dǎo)體上，從而形成干擾噪聲。當(dāng)一個(gè)器件或一條信號(hào)線上的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，其變化會(huì)通過(guò)互容和互感耦合到其他器件或信號(hào)線，即串?dāng)_耦合。
當(dāng)干擾線上有信號(hào)傳輸時(shí)，由于信號(hào)邊沿電壓的變化，在信號(hào)邊沿附近的區(qū)域，干擾線上的分布電容會(huì)感應(yīng)出時(shí)變的電場(chǎng)，而受害線處于這個(gè)電場(chǎng)里面，所以變化的電場(chǎng)會(huì)在受害線上產(chǎn)生感應(yīng)電流?？梢园研盘?hào)的邊沿看成是沿干擾線移動(dòng)的電流源，在它移動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)電容耦合不斷地在受害線上產(chǎn)生電流噪聲。
互容耦合原理
當(dāng)信號(hào)在干擾線上傳播時(shí)，由于信號(hào)電流的變化，在信號(hào)躍變的附近區(qū)域，通過(guò)分布電感的作用將產(chǎn)生時(shí)變的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在受害線上將感應(yīng)出噪聲電壓，進(jìn)而形成感性的耦合電流，并分別向近端和遠(yuǎn)端傳播。
與容性耦合電流不一樣的是，感性耦合電流的方向與干擾線上信號(hào)傳播的方向是反向的，向近端傳輸時(shí)，電流回路是從信號(hào)路徑到返回路徑，而向遠(yuǎn)端傳輸時(shí)，電流回路則是從返回路徑到信號(hào)路徑。
對(duì)于近端感性耦合串?dāng)_，其特征與近端容性耦合串?dāng)_非常相似，也是從零開(kāi)始迅速增加，當(dāng)傳輸長(zhǎng)度大于等于飽和長(zhǎng)度以后，將穩(wěn)定在一個(gè)固定值，持續(xù)時(shí)間是兩倍的傳輸延遲。因?yàn)榱飨蚪说母行择詈想娏髋c容性耦合電流同向，所以兩者將疊加在一起。
互感耦合原理
