王亚飞 杨鸿文 李学华

（1.北京邮电大学信息与通信工程学院，北京100876；

2.北京信息科技大学光电信息与通信工程学院，北京100101）

引 言

随着集成电路技术的进步和客户要求的提高，电子设备向着处理速度更高、物理尺寸更小的方向发展，这使得集成电路的工作频率越来越高、规模越来越大、引脚越来越多，印刷电路板（PCB）上电路的密度越来越大，芯片间通过引脚互连就面临着巨大的挑战。而限制PCB 上芯片间引脚互连的瓶颈问题之一就是总线系统中的串扰。串扰是指有害信号从一个网络转移到相邻网络，它普遍存在于芯片、PCB、互连件，以及其他非屏蔽的高速高密度电路中［1－2］。

高速电路的设计者一般都是从传输线的物理角度来考虑减小串扰。比如减小耦合长度、增大信号路径之间的距离、使用有短路过孔的防护布线或者改变传输线的物理结构等［1－8］，这些减小串扰的方法大多以硬件的面积资源或者成本为代价。除此之外，也可以把耦合补偿的概念应用到串扰抵消中，通过适当的发送和接收电路来消除串扰［9］，或者使用中继插入技术［10］来抵抗串扰。以上方法都是从抑制串扰信号本身的角度来考虑减小或者消除串扰，且效果有限，而从改变激励信号模式的角度来考虑减小或者消除串扰的方法较少，目前研究较多的是通过总线编码［11－12］或者使用差分技术［1，13］来抵抗串扰，但对于PCB上芯片间互连时存在的串扰，这些串扰减小方法都过于复杂，难以应用。

针对PCB上串扰给系统带来的噪声容限下降问题，也可以从对干扰源信号进行变换的角度来考虑减小串扰，注意到受扰线上串扰信号相位的改变与干扰源信号相位的改变具有同步性，提出了一种非常有效的串扰抵消方法，即在干扰线的中点和末端插入反相器，使干扰源信号在前二分之一耦合长度传输时和在后二分之一耦合传输时的相位相反，这样同时在受扰线上产生的远端串扰信号的相位也相反，相位相反的串扰信号经过叠加后就实现了抵消，和传统的从物理角度来减小串扰方法［1－8］相比，这种方法实现简单、效果较好。仿真结果表明：所提方法能明显抵消传输线间的串扰。

1.串扰与干扰源信号相位的同步性

传输线间信号耦合所形成的串扰模型如图1所示，把噪声源所在的传输线称为干扰线，把有噪声产生的传输线称为受扰线。图1中，当b点无激励时，a点输入信号va（t）在d点的耦合输出vd（t）就是干扰线对受扰线的串扰。串扰产生的物理原因是干扰线和受扰线之间的互容和互感［1］。当传输线工作在较高频率下，信号的上升时间和下降时间较小，由此引发的瞬时电压转换会引起严重的串扰，而且当两条传输线在布线空间上越接近，互感与互容就越大，特征阻抗及时延改变也越大，这样在两条传输线间就会产生更严重的串扰。

图1 传输线间的串扰模型

根据文献［14］，图1中两条平行传输线，在忽略二次串扰后，干扰线上a点到受扰线上远端d点的传输特性即远端串扰可以建模为

式中：Z0为传输线的特性阻抗；cm为传输线间的单位长度耦合电容；Lm为传输线间的单位长度耦合电感；l为传输线的耦合长度。

在无其他噪声及损耗情况下，受扰线上接收端的信号即为激励信号与串扰信号的和，在图1中，受扰线上没有激励信号，所以接收端的信号就是串扰信号。考虑到串扰信号的相位与干扰线上的输入信号va（t）的相位有关，为了分析上的方便，现假设va（t）为双极性信号，如果把va（t）信号反相，那么得到的信号即为－va（t），根据式（1）可以得到串扰信号与干扰源信号的相位关系，相位关系如图2所示，从图2中可以看出：串扰信号相位的改变与干扰源信号相位的改变具有同步性，即当干扰源信号相位反相后，串扰信号的相位也反相。

图2 串扰与干扰源信号相位的同步性

2.利用信号反相减小串扰方法

利用串扰信号相位的改变与干扰源信号相位的改变具有同步的特性，可以考虑在干扰线的中点插入反相器，也就是使干扰线上激励信号在传输线的前二分之一耦合长度传输时和在后二分之一耦合长度传输时的相位相反，从而抵消受扰线上的串扰。利用干扰线中点信号反相来减小串扰的模型如图3所示，两条平行且长度相等的传输线，在干扰线的中点（图中m点）插入反相器，使m点前后的信号相位相反，这样，激励信号在传输线前二分之一耦合长度传输时，在受扰线上产生的远端串扰为

激励信号经过反相后，在传输线后二分之一耦合长度传输时，在受扰线上产生的远端串扰为

理想情况下，前后两部分耦合长度所产生的串扰信号经过自动叠加后，受扰线终端总的串扰为

从式（4）可以看出：受扰线上的串扰被完全抵消掉。

图3 利用信号反相减小串扰的分析模型

在一般的总线系统中，多条平行传输线中同时有信号传输，这样相邻传输线就互为干扰线和受扰线，这时，在n条按顺序编号的传输线中，仅在编号为奇数（或者偶数）的传输线中点进行信号反相即可，同时为了恢复原始信号，需要在它们的终端再插入反相器，如图4（a）所示。对于n条传输线中，任意相邻两条传输线的地位与其他传输线相同，所以，下面来分析使用本方法的任意两条相邻传输线，模型如图4（b）所示。以下，为了简单起见，把记为k.

图4（b）中，在两条平行且长度相等的相邻传输线A，B上，分别给激励信号va（t）和vb（t），由于受到串扰的叠加，A，B两条传输线中点（m点）的信号分别为

在m点对传输线A中的信号vam（t）进行反相后，得到信号

在两条传输线的后二分之一耦合长度上传输的信号就分别为v′am（t）和vbm（t），在传输时，这两个信号也会相互耦合串扰信号，根据图4（b），传输线A，B终端接收到的信号就分别为

把式（6）和（7）代入到式（8）中，得到传输线A终端接收到的信号

把式（6）和（7）代入到式（9）中，得到传输线B终端接收到的信号

根据式（10）和（11）可以看出：在两条传输线终端的接收信号中，由相邻传输线产生的串扰已经被抵消掉，残留的串扰信号是二次串扰，即在受扰线上产生的串扰信号反过来对干扰线产生的串扰。由于激励信号va（t）和vb（t）的地位相同，只需分析式（10）和（11）中的一个串扰信号即可。由此，得到使用信号反相方法后的串扰信号为

3.仿真结果与分析

为了验证所提减小串扰方法的有效性，利用ADS软件进行了仿真。在软件版图界面创建了PCB上的两条平行微带传输线，它们的布局设置如图5所示，具体参数为：w＝1mm，s＝1mm，h＝0.56mm，t＝70μm，εr＝4.2，μr＝1，l＝20cm，金属为铜，微带线的特征阻抗Z0约为50Ω.利用软件提供的Momentum仿真器对布局元件进行了三维平面电磁场仿真，然后把具有实际物理意义的布局元件引入到原理图界面再进行电路仿真。

图5 微带传输线的结构

图6 提取时域信号的仿真模型

原理图中建立的仿真模型如图6所示，设置激励信号分别为伪随机序列va（t）和vb（t），且速率同为1Gbit/s，上升与下降时间都为0.1ns，图中在传输线A的中点插入了一个理想反相器，它能够把输入信号进行180°移相，且在传输线上进行了阻抗匹配。仿真结果如图7所示，va（t）为a点的激励信号，vb（t）为b点的激励信号，vc（t）为c点接收到的信号，vd（t）为d点接收到的信号，vam（t）为传输线A中点的信号，v′am（t）为vam（t）反相后的信号，vbm（t）为传输线B中点的信号。结果显示：在传输线A、B上都有激励信号的情况下，传输线中点的信号都受到了串扰的叠加，串扰信号的幅值达到了信号电压摆幅的15%以上，经过在传输线A的中点进行信号反相处理后，传输线A、B接收端的接收信号中，串扰都基本被抵消掉，也就是说信号在传输线的前二分之一耦合长度和在后二分之一耦合长度传输时，在另一条传输线上产生的串扰被抵消掉，且这种抵消在两条传输线的作用效果是一样的。

图8给出了在相同条件下，没有在传输线A的中点进行信号反相处理情况下，传输线间的串扰情况，对比图7（f）、（g）与图8（a）、（b），可以看出：在没有使用所提方法的情况下传输线终端的接收信号中都叠加了占信号电压摆幅30%以上的串扰信号，而在使用所提方法的情况下串扰基本被抵消掉。同时也能看出，对于克服PCB上的串扰来说，反相器的插入使相邻传输线上信号的传输模式发生了改变，但由此引起时序的改变很小，可以忽略不计，但实际反相器的插入必然会引起信号的延迟，所以需要在没有插入反相器的传输线中点进行相应延迟，以保证信号的同步性。

以上仿真结果表明了所提方法减小串扰的有效性，同时，反相器的使用数量与传输线的耦合长度无关，由于较长的耦合长度会产生幅值较大的串扰，所以反相器的使用对于耦合长度较长的传输线来说，更为有利，在有些情况下，可以使发送端发送的信号为反相信号，此时只需在中点插入一个反相器即可。

实际应用中的反相器可以使用文献［15］中的无源双面平行传输线（DSPSL）反相器，即用两个金属柱交换上下表面电流的DSPSL反相器。这种反相器反相性能良好，具有反相特性与频率基本无关，插入损耗可以忽略不计等特点，在很多高速的信号线上都已经有了应用［15－16］，且效果理想。根据前面的理论分析和仿真可知，利用信号反相来减小串扰方法的实际应用效果主要取决于反相器的性能，由于DSPSL反相器的实际应用性能良好，所以本方法减小串扰的实际效果应接近于仿真结果。另外，作为减小串扰的应用，插入无源反相器不会激增PCB的复杂度和元件个数，因为一般的电路系统中，高速信号线不是特别多，由于本应用只是对高速信号线进行隔行插入反相器，所以不会增加太多的元件和结构，因此，不会带来太多的电磁兼容问题。相反，由于减小了高速信号线之间的耦合，所以可以减少电磁辐射。

由于本方法中关于串扰的计算公式是在两条传输线相速度相等、平行且终端匹配的情况下得到的，所以本方法适用于总线系统中传输线相速度相等、平行且终端匹配情况下使用，同时，由于反相器插入的位置是两条传输线耦合长度的中点，所以本方法的使用不受传输线长度的约束。

4.结 论

从串扰与干扰源信号的相位关系出发，利用串扰信号与干扰源信号相位同步改变的原理研究了串扰减小问题，提出了利用信号反相来减小串扰的方法，该方法在传输线耦合长度的中点和末端分别插入反相器，就能实现串扰的抵消。仿真结果显示，这种方法能明显抵消微带传输线间的串扰。与传统方法相比，实现简单，效果较好。

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