“一秒”讀懂串擾對信號傳輸時延的影響
發(fā)布時間：2023-01-10 10:56
作者：一博科技高速先生成員 劉春
在前幾期的文章“為什么DDR走線要走同組同層？”中，我們了解了信號在傳輸線上的傳輸速度以及微帶線與帶狀線傳輸?shù)臅r延差異。同時也有很多熱情的網(wǎng)友對影響傳輸線時延情況給出了各自的見解，比如串擾，繞線，過孔，跨分割等等。本期我們就以不同模態(tài)下的串擾對信號時延的影響繼續(xù)通過理論分析和仿真驗證的方式跟大家一起進行探討。
在開始仿真之前我們先簡單的了解一下什么是串擾以及串擾是怎么形成的。如下圖所示，當有信號傳輸?shù)淖呔€和相鄰走之間間距較近時，有信號傳輸?shù)淖呔€會在相鄰走線上引起噪聲，這種現(xiàn)象稱為串擾。
串擾形成的根本原因在于相鄰走線之間存在耦合，如下圖所示:
當信號在一走線上傳輸時，一部分能量會通過電場容性耦合和磁場感性耦合到相鄰走線上，從而引起串擾噪聲，并以耦合后產(chǎn)生串擾噪聲方向的不同區(qū)分為近端串擾（VNEXT）和遠端串擾（VFEXT）。如下圖所示，以微帶線為例，當傳輸信號為正跳變向前傳輸時，近端串擾會產(chǎn)生一個正跳變脈沖的串擾噪聲，遠端串擾則會產(chǎn)生一個負跳變脈沖的串擾噪聲。而對于內(nèi)層走線的串擾與微帶線有所不同，內(nèi)層走線的遠端串擾幾乎為0，這里關(guān)于串擾的詳細機理就不再多做介紹了，感興趣的朋友可以查找相關(guān)的資料進行更深入的了解。
下面我們利用Sigrity中Sigrity Topology Explorer進行仿真驗證。為了更好的體現(xiàn)不同模態(tài)下走線串擾對信號傳輸時延的影響，如下圖所示，這里模擬了三條線長1000mil的相鄰微帶線A,B,C進行仿真。
其中，A和C作為干擾源信號，B作為被干擾信號，仿真驗證對比下面三種工作狀態(tài)下被干擾信號B的時延情況：
（1）no_crosstalk: A和C中沒有信號；
（2）even_crosstalk: A和C與B同相；
（3）odd_crosstalk: A和C與B反相；
搭建仿真鏈路如下圖所示：
疊層設(shè)置如下圖所示，其中線寬：5mil；線距：5mil。
仿真結(jié)果：
even_crosstalk偶模工作狀態(tài)下信號的傳輸時延比沒有串擾no_crosstalk的工作狀態(tài)下信號的傳輸時延慢了約10.9ps；
odd_crosstalk奇模工作狀態(tài)下信號的傳輸時延比沒有串擾no_crosstalk的工作狀態(tài)下信號的傳輸時延快了約9.6ps。
那是什么造成這種傳輸?shù)臅r延差異呢？相信大家心里已經(jīng)有了答案，正是串擾造成的。這里我們根據(jù)前面對串擾的了解來進行分析造成該差異的原因。以沒有串擾no_crosstalk的工作狀態(tài)時延為參考，當信號處于even_crosstalk偶模工作狀態(tài)時，干擾信號與被干擾信號同相跳變，使得干擾信號產(chǎn)生在被干擾信號上的遠端串擾噪聲與被干擾信號跳變方向相反，并疊加在被干擾信號上，致使被干擾信號的邊沿跳變延遲到達，而當信號處于odd_crosstalk奇模工作狀態(tài)時則與此相反，干擾信號產(chǎn)生在被干擾信號上的遠端串擾噪聲與被干擾信號跳變方向相同，并疊加在被干擾信號上，致使被干擾信號的邊沿跳變提前到達。
從上面的仿真驗證，我們知道串擾會影響信號的時延，那么我們該如何避免或減小這種影響呢？這里小編趁此機會又繼續(xù)做了如下幾種情況下的仿真驗證：
（1）其他條件不變，走線間距改成10mil，仿真結(jié)果如下圖所示：
even_crosstalk偶模工作狀態(tài)下信號的傳輸時延比沒有串擾no_crosstalk的工作狀態(tài)下信號的傳輸時延慢了約7.7ps；
odd_crosstalk奇模工作狀態(tài)下信號的傳輸時延比沒有串擾no_crosstalk的工作狀態(tài)下信號的傳輸時延快了約7.6ps。
（2）其他條件不變，走線間距改成15mil，仿真結(jié)果如下圖所示：
even_crosstalk偶模工作狀態(tài)下信號的傳輸時延比沒有串擾no_crosstalk的工作狀態(tài)下信號的傳輸時延慢了約5.5ps；
odd_crosstalk奇模工作狀態(tài)下信號的傳輸時延比沒有串擾no_crosstalk的工作狀態(tài)下信號的傳輸時延快了約5.4ps。
（3）其他條件不變，走線長度改成500mil，仿真結(jié)果如下圖所示：
even_crosstalk偶模工作狀態(tài)下信號的傳輸時延比沒有串擾no_crosstalk的工作狀態(tài)下信號的傳輸時延慢了約8.2ps；
odd_crosstalk奇模工作狀態(tài)下信號的傳輸時延比沒有串擾no_crosstalk的工作狀態(tài)下信號的傳輸時延快了約7.1ps。
從上述仿真結(jié)果可知，對于相鄰的微帶線，拉開走線間距，可以減弱走線間電場和磁場的耦合，從而降低在被干擾信號上產(chǎn)生的遠端串擾噪聲，減小走線之間因串擾造成的時延差異；而減小走線的耦合長度，則可減小遠端串擾噪聲的積累，以減小走線之間因串擾造成的時延差異。
另外對于帶狀線而言，遠端串擾近似為0，意味著遠端串擾幾乎不會對走線在內(nèi)層信號時延有影響，需要關(guān)注的只是傳輸方向相反的信號之間的近端串擾對信號造成的時延影響，因此走線在內(nèi)層可以減小走線之間因遠端串擾造成的時延差異。
問題來了
在繞線等長設(shè)計中，如DDR等長中的蛇形繞線又是如何影響信號傳輸?shù)臅r延的？
