靳皓，劉源，常若葵

（天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300384）

基于Hyperlynx對(duì)串?dāng)_的研究

靳皓，劉源，常若葵

（天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300384）

隨著電路的互連已進(jìn)入GHz時(shí)代，串?dāng)_問(wèn)題在MHz時(shí)代不明顯的問(wèn)題變得越來(lái)越明顯?；贖yperlynx軟件，分別對(duì)近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，期望找到合理處理串?dāng)_問(wèn)題的解決方案。由實(shí)驗(yàn)得到，縮短耦合長(zhǎng)度可以使近端串?dāng)_成正比減小的結(jié)論；在微帶線(xiàn)條件下，通過(guò)縮短耦合長(zhǎng)度或者延長(zhǎng)上升時(shí)間分別可以使遠(yuǎn)端串?dāng)_成正比和成反比減小的結(jié)論。

串?dāng)_；近端串?dāng)_；遠(yuǎn)端串?dāng)_；hyperlynx仿真

在以往對(duì)串?dāng)_問(wèn)題的處理中，多以經(jīng)驗(yàn)性的方案為主，不知其然，不知其所以然。隨著電路的互連已進(jìn)入GHz時(shí)代，串?dāng)_問(wèn)題在MHz時(shí)代不明顯的問(wèn)題變得越來(lái)越明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有1/3的噪聲來(lái)源于串?dāng)_[1-2]。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)串?dāng)_產(chǎn)生的機(jī)理等方面進(jìn)行了總結(jié)。本文基于Hyperlynx軟件，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，期望找到合理處理串?dāng)_問(wèn)題的解決方案。

1 近端串?dāng)_實(shí)驗(yàn)及解決方案

NEXT為近端串?dāng)_系數(shù)，Vb為受害線(xiàn)上的后向電壓噪聲，Va為侵略線(xiàn)上的信號(hào)電壓，CmL為單位長(zhǎng)度互感，單位是pF/inch，CL為傳輸線(xiàn)的單位長(zhǎng)度電容，單位是pF/inch，LmL為單位長(zhǎng)度互感，單位是nH/inch，LL為傳輸線(xiàn)的單位長(zhǎng)度電感，單位是nH/inch。

我們看到NEXT反映的是兩條傳輸線(xiàn)的本征特性，與傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度、信號(hào)的上升時(shí)間等無(wú)關(guān)。從圖2可以看到，噪聲電壓的上升時(shí)間，與信號(hào)電壓的上升時(shí)間相同。并且，在噪聲電壓上升到飽和值后，這個(gè)飽和電壓會(huì)持續(xù)兩倍的傳輸線(xiàn)延遲的時(shí)間。同樣地，當(dāng)上升時(shí)間為兩倍的傳輸線(xiàn)延遲的時(shí)候，噪聲電壓便可達(dá)到飽和值。即，耦合長(zhǎng)度為上升沿空間延展的一半長(zhǎng)度的時(shí)候，噪聲電壓達(dá)到飽和值。

Lensat為近端噪聲的飽和長(zhǎng)度，單位是inches；RT為上升時(shí)間，單位是ns；v為信號(hào)的傳播速度，單位是inches/ns。

圖1 侵略線(xiàn)與受害線(xiàn)耦合的原理圖，已端接Fig.1 Schematic of the aggressor and victim line which has been coupled and terminated

那么，若要減小近端耦合噪聲電壓，可以通過(guò)縮短耦合長(zhǎng)度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。即，不等噪聲電壓上升到飽和值耦合就消失了。比如，耦合長(zhǎng)度為飽和長(zhǎng)度的20%的時(shí)候，耦合就消失了。那么，噪聲電壓的最大值就為20%*NEXT。

按照?qǐng)D1的參數(shù)，計(jì)算得到飽和長(zhǎng)度約為4 inches，飽和噪聲電壓約為330 mV。下面分別取耦合長(zhǎng)度為12 inches（耦合長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于飽和長(zhǎng)度），2 inches（耦合長(zhǎng)度為飽和長(zhǎng)度的1/2）和1 inches（耦合長(zhǎng)度為飽和長(zhǎng)度的1/4）等情況下觀察最大噪聲電壓的數(shù)值。

圖2 在元件U1.1和R2的箭頭位置測(cè)量的波形Fig.2 Waveform of U1.1 and R2's arrow position

圖3 耦合長(zhǎng)度為12 inches和4 inchesFig.3 Coupling length of 12 inches and 4 inches

圖4 耦合長(zhǎng)度為4 inches和2 inchesFig.4 Coupling length of 4 inches and 2 inches

在耦合長(zhǎng)度為2 inches時(shí)最大噪聲電壓約為240 mV，在耦合長(zhǎng)度為1 inch時(shí)最大噪聲電壓約為125 mV。這些測(cè)量值與預(yù)測(cè)值相比有誤差，但是能夠反映出隨著耦合長(zhǎng)度的縮短，近端噪聲的最大值隨耦合長(zhǎng)度成正比減小。

圖5 耦合長(zhǎng)度為2 inches和1 inchesFig.5 Coupling length of 2 inches and 1 inches

2 遠(yuǎn)端串?dāng)_實(shí)驗(yàn)及解決方案

FEXT為遠(yuǎn)端串?dāng)_系數(shù)，Vf為受害線(xiàn)的遠(yuǎn)端噪聲電壓，Va為侵略線(xiàn)的信號(hào)電壓，L en為兩條傳輸線(xiàn)的耦合長(zhǎng)度，RT為上升時(shí)間，單位是ns，kf為遠(yuǎn)端耦合系數(shù)，由傳輸線(xiàn)的本征特性決定，v為信號(hào)的傳播速度，單位是inches/ns，CmL為單位長(zhǎng)度互感，單位是pF/inch，CL為傳輸線(xiàn)的單位長(zhǎng)度電容，單位是pF/inch，LmL為單位長(zhǎng)度互感，單位是nH/inch，LL為傳輸線(xiàn)的單位長(zhǎng)度電感，單位是nH/inch。

圖6 遠(yuǎn)端串?dāng)_原理圖Fig.6 Schematic of the far-end crosstalk

由圖8看到，遠(yuǎn)端串?dāng)_出現(xiàn)在傳輸線(xiàn)的延遲之后，好像是脈沖信號(hào)一樣，脈沖的寬度為信號(hào)的上升時(shí)間。

由式（3）看到，遠(yuǎn)端串?dāng)_與耦合長(zhǎng)度成正比，與上升時(shí)間成反比。首先，調(diào)整耦合長(zhǎng)度，觀察噪聲電壓的變化。圖8所示的耦合長(zhǎng)度為24 inches，此時(shí)噪聲電壓約為-550 mV。把耦合長(zhǎng)度調(diào)整為18 inches（為原長(zhǎng)度的3/4），12 inches（為原長(zhǎng)度的一半），6 inches（為原長(zhǎng)度的1/4）時(shí)觀察噪聲電壓的數(shù)值。

當(dāng)耦合長(zhǎng)度為18inches時(shí)，噪聲電壓約為-430 mV，耦合長(zhǎng)度為12 inches時(shí)，噪聲電壓約為-300 mV，耦合長(zhǎng)度為6 inches時(shí)，噪聲電壓約為-150 mV。這些測(cè)量值與預(yù)測(cè)值基本吻合，能夠反映出噪聲電壓隨耦合長(zhǎng)度成正比減小。

下面，我們觀察隨著上升時(shí)間的延長(zhǎng)，遠(yuǎn)端噪聲的變化情況。分別取上升時(shí)間為900 ps，1.35 ns和2.2 ns 3種情況進(jìn)行觀察。如圖12、13、14所示。

當(dāng)上升時(shí)間約為900 ps時(shí)，噪聲電壓約為-770 mV；當(dāng)上升時(shí)間約為1.35 ns時(shí)，噪聲電壓約為-550 mV；當(dāng)上升時(shí)間約為2.2 ns時(shí)，噪聲電壓約為-350 mV。測(cè)量值基本上與預(yù)測(cè)值相吻合，能夠得到隨著上升時(shí)間的延長(zhǎng)，遠(yuǎn)端噪聲隨之成反比減小的結(jié)論。

注明：這些對(duì)遠(yuǎn)端噪聲的測(cè)量結(jié)果均在微帶線(xiàn)狀態(tài)下得到。

圖7 對(duì)圖6標(biāo)注的檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量Fig.7 Measurement of Fig.6's testing points

圖8 將圖7放大后的圖像Fig.8 Enlarged imagesof Fig.7

圖9 耦合長(zhǎng)度為24 inches和18 inchesFig.9 Coupling length of 24 inches and 18 inches

圖10 耦合長(zhǎng)度為18 inches和12 inchesFig.10 Coupling length of 18 inches and 12 inches

圖11 耦合長(zhǎng)度為12 inches和6 inchesFig.11 Coupling length of 12 inches and 6 inches

圖12 上升時(shí)間約為900 psFig.12 Rise time was about 900 ps

3 結(jié) 論

對(duì)于近端串?dāng)_，分別在微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)兩種情況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)論相同。即，通過(guò)縮短耦合長(zhǎng)度可以使近端串?dāng)_成正比減小。對(duì)于遠(yuǎn)端串?dāng)_，在微帶線(xiàn)條件下，通過(guò)縮短耦合長(zhǎng)度或者延長(zhǎng)上升時(shí)間均可以使其按正比例或者反比例關(guān)系減??；在帶狀線(xiàn)條件下，無(wú)遠(yuǎn)端串?dāng)_出現(xiàn)。所以綜合來(lái)看，如果布線(xiàn)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)，比如時(shí)鐘線(xiàn)等，應(yīng)以帶狀線(xiàn)方式布線(xiàn)。

圖13 上升時(shí)間約為1.35 nsFig.13 Rise time was about 1.35 ns

圖14 上升時(shí)間約為2.2 nsFig.14 Rise time was about 2.2 ns

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The study of crosstalk based on Hyperlynx

JIN Hao，LIU Yuan，CHANG Ruo-kui
（Agricultural Electrification&Automation Center，Tianjin Agricultural University Tianjin 300384，China）

As the circuit interconnection has entered the era of GHz，crosstalk problems is not obvious in the era of MHz is becoming more and more obvious.Based on Hyperlynx software，respectively to do the experiment of the near-end crosstalk and far-end crosstalk，expecting to find reasonable processing crosstalk solution of the problem.By experiment，shorten the coupling length can reduce the near-end crosstalkin direct proportion；Under the condition of the microstrip line，shortening the coupling length orincreasing rise time can reduce the far-end crosstalkin direct proportion orin inversely proportion.

crosstalk；near-endcrosstalk；far-endcrosstalk；hyperlynx simulation

TN972

A

1674－6236（2015）10-0114-04

2014-08-17 稿件編號(hào)：201408087

靳 皓（1978—），男，天津人，碩士，講師。研究方向：電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)。