基于Hyperlynx對串擾的研究

靳皓，劉源，常若葵

（天津農學院 農業電氣化與自動化實驗教學中心，天津 300384）

基于Hyperlynx對串擾的研究

靳皓，劉源，常若葵

（天津農學院 農業電氣化與自動化實驗教學中心，天津 300384）

隨著電路的互連已進入GHz時代，串擾問題在MHz時代不明顯的問題變得越來越明顯。基于Hyperlynx軟件，分別對近端串擾和遠端串擾進行仿真實驗，期望找到合理處理串擾問題的解決方案。由實驗得到，縮短耦合長度可以使近端串擾成正比減小的結論；在微帶線條件下，通過縮短耦合長度或者延長上升時間分別可以使遠端串擾成正比和成反比減小的結論。

串擾；近端串擾；遠端串擾；hyperlynx仿真

在以往對串擾問題的處理中，多以經驗性的方案為主，不知其然，不知其所以然。隨著電路的互連已進入GHz時代，串擾問題在MHz時代不明顯的問題變得越來越明顯。據統計，約有1/3的噪聲來源于串擾[1-2]。文獻[3-4]對串擾產生的機理等方面進行了總結。本文基于Hyperlynx軟件，進行仿真實驗，期望找到合理處理串擾問題的解決方案。

1 近端串擾實驗及解決方案

NEXT為近端串擾系數，Vb為受害線上的后向電壓噪聲，Va為侵略線上的信號電壓，CmL為單位長度互感，單位是pF/inch，CL為傳輸線的單位長度電容，單位是pF/inch，LmL為單位長度互感，單位是nH/inch，LL為傳輸線的單位長度電感，單位是nH/inch。

我們看到NEXT反映的是兩條傳輸線的本征特性，與傳輸線的長度、信號的上升時間等無關。從圖2可以看到，噪聲電壓的上升時間，與信號電壓的上升時間相同。并且，在噪聲電壓上升到飽和值后，這個飽和電壓會持續兩倍的傳輸線延遲的時間。同樣地，當上升時間為兩倍的傳輸線延遲的時候，噪聲電壓便可達到飽和值。即，耦合長度為上升沿空間延展的一半長度的時候，噪聲電壓達到飽和值。

Lensat為近端噪聲的飽和長度，單位是inches；RT為上升時間，單位是ns；v為信號的傳播速度，單位是inches/ns。

圖1 侵略線與受害線耦合的原理圖，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，可以通過縮短耦合長度的方法來實現。即，不等噪聲電壓上升到飽和值耦合就消失了。比如，耦合長度為飽和長度的20%的時候，耦合就消失了。那么，噪聲電壓的最大值就為20%*NEXT。

按照圖1的參數，計算得到飽和長度約為4 inches，飽和噪聲電壓約為330 mV。下面分別取耦合長度為12 inches（耦合長度遠大于飽和長度），2 inches（耦合長度為飽和長度的1/2）和1 inches（耦合長度為飽和長度的1/4）等情況下觀察最大噪聲電壓的數值。

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

圖3 耦合長度為12 inches和4 inchesFig.3 Coupling length of 12 inches and 4 inches

圖4 耦合長度為4 inches和2 inchesFig.4 Coupling length of 4 inches and 2 inches

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

圖5 耦合長度為2 inches和1 inchesFig.5 Coupling length of 2 inches and 1 inches

2 遠端串擾實驗及解決方案

FEXT為遠端串擾系數，Vf為受害線的遠端噪聲電壓，Va為侵略線的信號電壓，L en為兩條傳輸線的耦合長度，RT為上升時間，單位是ns，kf為遠端耦合系數，由傳輸線的本征特性決定，v為信號的傳播速度，單位是inches/ns，CmL為單位長度互感，單位是pF/inch，CL為傳輸線的單位長度電容，單位是pF/inch，LmL為單位長度互感，單位是nH/inch，LL為傳輸線的單位長度電感，單位是nH/inch。

圖6 遠端串擾原理圖Fig.6 Schematic of the far-end crosstalk

由圖8看到，遠端串擾出現在傳輸線的延遲之后，好像是脈沖信號一樣，脈沖的寬度為信號的上升時間。

由式（3）看到，遠端串擾與耦合長度成正比，與上升時間成反比。首先，調整耦合長度，觀察噪聲電壓的變化。圖8所示的耦合長度為24 inches，此時噪聲電壓約為-550 mV。把耦合長度調整為18 inches（為原長度的3/4），12 inches（為原長度的一半），6 inches（為原長度的1/4）時觀察噪聲電壓的數值。

當耦合長度為18inches時，噪聲電壓約為-430 mV，耦合長度為12 inches時，噪聲電壓約為-300 mV，耦合長度為6 inches時，噪聲電壓約為-150 mV。這些測量值與預測值基本吻合，能夠反映出噪聲電壓隨耦合長度成正比減小。

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

當上升時間約為900 ps時，噪聲電壓約為-770 mV；當上升時間約為1.35 ns時，噪聲電壓約為-550 mV；當上升時間約為2.2 ns時，噪聲電壓約為-350 mV。測量值基本上與預測值相吻合，能夠得到隨著上升時間的延長，遠端噪聲隨之成反比減小的結論。

注明：這些對遠端噪聲的測量結果均在微帶線狀態下得到。

圖7 對圖6標注的檢測點進行測量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 耦合長度為24 inches和18 inchesFig.9 Coupling length of 24 inches and 18 inches

圖10 耦合長度為18 inches和12 inchesFig.10 Coupling length of 18 inches and 12 inches

圖11 耦合長度為12 inches和6 inchesFig.11 Coupling length of 12 inches and 6 inches

圖12 上升時間約為900 psFig.12 Rise time was about 900 ps

3 結 論

對于近端串擾，分別在微帶線和帶狀線兩種情況下進行仿真實驗，得到的結論相同。即，通過縮短耦合長度可以使近端串擾成正比減小。對于遠端串擾，在微帶線條件下，通過縮短耦合長度或者延長上升時間均可以使其按正比例或者反比例關系減小；在帶狀線條件下，無遠端串擾出現。所以綜合來看，如果布線關鍵網絡，比如時鐘線等，應以帶狀線方式布線。

圖13 上升時間約為1.35 nsFig.13 Rise time was about 1.35 ns

圖14 上升時間約為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：201408087

靳 皓（1978—），男，天津人，碩士，講師。研究方向：電子線路設計。