光收发一体模块设计中的串扰分析

2007-01-12 11:11

深圳市飞创科技有限公司

引言
在小型化光收发一体模块如SFP，SFF电路中，由于布线密度的增大而使互连线之间串扰作用变得十分明显，特别在2.5G以上高频电信号的作用下，这种分布性质的耦合作用更是不容忽略。本文就串扰的分析计算做了简要的阐述。

串扰的产生
形成串扰的根本原因是信号变化引起周边的电磁场发生变化，特别是对于高速信号，信号的上升和下降沿的时间可以达到ps级，高频分量非常丰富，信号线之间的寄生电容和电感容易成为串扰信号的耦合通道。在光收发模块特别是LC小型化封装模块中，发射、接收端相邻的两条信号线之间以及地平面之间的耦合会形成串扰，所以串扰又称为三线系统。传输线上分布着电感分量和电容分量，所以整个信号之间的串扰由两部分组成，即容性耦合干扰和感性耦合干扰。由Cwire=Csub+Cint以及 Cint=(εdi/tdi) ×W×L可知，互连线上的电容由互连线与衬底间的电容及互连线间的电容组成,互连线间的电容与它们之间的间距成反比。随着工艺的发展，电路板上布线密度越来越大，互连线之间的间距越来越小，互连线之间的耦合电容Cint相对于线与衬底之间的电容Csub越来越大，随着芯片工作频率的不断提高，互连线之间的电磁耦合效应也不断加大，导致互连线之间的相互影响越来越大。

对于某种导线，假设单位长度分布电感和分布电容分别如下：
L= 0.999nH /mm ，C =0.0111pF/ mm
当信号频率为f1 =50Hz ，单位长度上的电抗和电纳分别为：
=3.14×/mm
= 2=3.49×/mm
当信号频率为f2 = 2.5GHz 时，单位长度上的电抗和电纳为
=2=1.57×10/mm
=2=1.745×/mm
很显然，信号频率越高相应分布参数的值越大，分布参数对电路的影响就越大。

串扰对电路的影响
串扰对电路的通常有两个方面的影响，一是性能上的，一是功能上的。由于串扰会导致电路违反建立时间和保持时间的约束，影响到电路的时序，从而产生如误码等现象，导致性能的下降。此外，由串扰所产生的较大的尖锋脉冲有可能造成电路的功能错误。当噪声与信号的变化方向相同时，信号的变化就可能会加快，从而导致违反保持时间的约束；当噪声与信号的变化方向相反时，信号的变化就可能会减慢，从而导致违反建立时间的约束。而如果由于噪声的影响而出现一个持续期足够宽，幅度足够大的脉冲时，就可能会导致电路的功能错误。因此串扰超出一定的值将可能引发电路误动作从而导致系统无法正常工作。

串扰模型分析
容性串扰
两条信号线，称为噪声源和噪声接收器。因为两条线间的电容特性，源上的噪声能耦合到接收线，这样导致以电流形式注入接收线。在传输线上，电流在Z两个方向上传播，直到在源和负载上被消耗。在线路上产生的电压尖峰由Z决定。当电流脉冲到达Zs和ZL，它就会沿电阻被消耗且电压与阻抗成正比。如果在源或负载上的阻抗不匹配，就会发生反射。对于没有端接的负载而言，ZL上的电压峰值会很大。而端接负载能有效地减少下一个器件的输入电压噪声。但会带来损耗。

也能通过分离线路来减少容性串扰。如果电路板上余留空间足够的话，应尽可能的让信号线保持大的间隔。因为信号线路分离越远,电容越少,串扰会越小。另外在相邻信号线间放置一根地线也能很有效的减小电容。如图2所示信号现在是与地耦合,不再是与邻近线耦合。

应当注意，地线必须是完整的地，如果仅仅是在线路末端连接到地层，它就会有相当高的阻抗。要有好的接地，应将地线上的每间隔信号的最高频率分量的四分之一波长打孔且与地层连接。

感性串扰
感性串扰可以认为是不希望的变压器的主副线圈（板上电流环路）间的信号耦合。与负载耦合的不希望的信号量取决于环路的大小和相距程度，也与受影响的负载阻抗有关。转换的能量随环路越大且靠得越近而增加。在负载，即副环路上，信号的大小随负载阻抗而增加。

环路电感（L）随环路尺寸增大而增加，当两个环路互连，一个将为主电感（LP），另一个为副电感（LS），如图3 虽然信号线不会被有目的地设计成变压器，为松散耦合，然而，它能在副环上产生干扰。

如果感性串扰是由于人工布线引起的环路环路，是比较好解决的，只要拆除环路就可，但处理这种环路是一种挑战。如果串扰是由源信号和返回信号环路产生的，显然是不能切断该环路，但保持低负载阻抗，常能最小化串扰的影响。图4说明了一个带有负载的自然副环路的简单描述。这儿的Zs是副环路固有的阻抗。注意串行电流（Is），因为阻抗也是串联的，Is在环路中处处都是一样的。对于常量Is，通过最大阻抗的电压降是最大的。在没有端接的线路上，这种情形常是线路末端上的负载；即在接收器件的输入上。

感性串扰和容性串扰的基本分析公式如下：
Xtalk(ind)=(Lm)/(Ra×Tr)
式中，Lm是互感，Ra是干扰源的终端匹配电阻，Tr是信号上升沿的时间。
Xtalk(cap)=(Ra×Cm)/Tr
式中，Cm是耦合电容，Ra是被干扰对象的终端匹配电阻，Tr是信号上升沿的时间。

从上面的公式可以看出，串扰的大小与很多因素有关，如信号的速率、信号的上升沿和下降沿的速率、PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式等。

层传输线之间的串扰，它们之间串扰的大小正比于。很明显加大并行信号之间间距（D）或者减小信号到平面层之间的距离（H）都有助于减小同层信号之间的串扰。

此外，串扰还跟信号的边沿速度有密切的关系。由前述理论可以知道后向串扰（受害者线路在源方向上扩展的相同极性之和）随并行信号平行线长度的增大而迅速增强，到达某一值后将固定不变，不再随平行信号长度的变化而变化，把后向串扰到达稳定值的平行信号长度称为“恒定长度”，这个长度可以折算成信号传输时延TRT，它与信号上升时间TR相等，因此，当TRT小于TR时，串扰大小与并行距离有关；当TRT大于TR时，串扰大小与并行距离无关。

这里是相对介电常数，带状线情况下a=1，b=0，微带线情况下a=475，b=67。

本文小结：主要讲解了光收发一体模块设计电路中的串扰。包括串扰的形成、本质，对电路的影响，以及主要的容性串扰和感性串扰的模型分析计。此外还简单的讲述了电路板传输线及层与串扰的关系。