基于Hyperlynx对串扰的研究

靳皓，刘源，常若葵

（天津农学院 农业电气化与自动化实验教学中心，天津 300384）

基于Hyperlynx对串扰的研究

靳皓，刘源，常若葵

（天津农学院 农业电气化与自动化实验教学中心，天津 300384）

随着电路的互连已进入GHz时代，串扰问题在MHz时代不明显的问题变得越来越明显。基于Hyperlynx软件，分别对近端串扰和远端串扰进行仿真实验，期望找到合理处理串扰问题的解决方案。由实验得到，缩短耦合长度可以使近端串扰成正比减小的结论；在微带线条件下，通过缩短耦合长度或者延长上升时间分别可以使远端串扰成正比和成反比减小的结论。

串扰；近端串扰；远端串扰；hyperlynx仿真

在以往对串扰问题的处理中，多以经验性的方案为主，不知其然，不知其所以然。随着电路的互连已进入GHz时代，串扰问题在MHz时代不明显的问题变得越来越明显。据统计，约有1/3的噪声来源于串扰[1-2]。文献[3-4]对串扰产生的机理等方面进行了总结。本文基于Hyperlynx软件，进行仿真实验，期望找到合理处理串扰问题的解决方案。

1 近端串扰实验及解决方案

NEXT为近端串扰系数，Vb为受害线上的后向电压噪声，Va为侵略线上的信号电压，CmL为单位长度互感，单位是pF/inch，CL为传输线的单位长度电容，单位是pF/inch，LmL为单位长度互感，单位是nH/inch，LL为传输线的单位长度电感，单位是nH/inch。

我们看到NEXT反映的是两条传输线的本征特性，与传输线的长度、信号的上升时间等无关。从图2可以看到，噪声电压的上升时间，与信号电压的上升时间相同。并且，在噪声电压上升到饱和值后，这个饱和电压会持续两倍的传输线延迟的时间。同样地，当上升时间为两倍的传输线延迟的时候，噪声电压便可达到饱和值。即，耦合长度为上升沿空间延展的一半长度的时候，噪声电压达到饱和值。

Lensat为近端噪声的饱和长度，单位是inches；RT为上升时间，单位是ns；v为信号的传播速度，单位是inches/ns。

图1 侵略线与受害线耦合的原理图，已端接Fig.1 Schematic of the aggressor and victim line which has been coupled and terminated

那么，若要减小近端耦合噪声电压，可以通过缩短耦合长度的方法来实现。即，不等噪声电压上升到饱和值耦合就消失了。比如，耦合长度为饱和长度的20%的时候，耦合就消失了。那么，噪声电压的最大值就为20%*NEXT。

按照图1的参数，计算得到饱和长度约为4 inches，饱和噪声电压约为330 mV。下面分别取耦合长度为12 inches（耦合长度远大于饱和长度），2 inches（耦合长度为饱和长度的1/2）和1 inches（耦合长度为饱和长度的1/4）等情况下观察最大噪声电压的数值。

图2 在元件U1.1和R2的箭头位置测量的波形Fig.2 Waveform of U1.1 and R2's arrow position

图3 耦合长度为12 inches和4 inchesFig.3 Coupling length of 12 inches and 4 inches

图4 耦合长度为4 inches和2 inchesFig.4 Coupling length of 4 inches and 2 inches

在耦合长度为2 inches时最大噪声电压约为240 mV，在耦合长度为1 inch时最大噪声电压约为125 mV。这些测量值与预测值相比有误差，但是能够反映出随着耦合长度的缩短，近端噪声的最大值随耦合长度成正比减小。

图5 耦合长度为2 inches和1 inchesFig.5 Coupling length of 2 inches and 1 inches

2 远端串扰实验及解决方案

FEXT为远端串扰系数，Vf为受害线的远端噪声电压，Va为侵略线的信号电压，L en为两条传输线的耦合长度，RT为上升时间，单位是ns，kf为远端耦合系数，由传输线的本征特性决定，v为信号的传播速度，单位是inches/ns，CmL为单位长度互感，单位是pF/inch，CL为传输线的单位长度电容，单位是pF/inch，LmL为单位长度互感，单位是nH/inch，LL为传输线的单位长度电感，单位是nH/inch。

图6 远端串扰原理图Fig.6 Schematic of the far-end crosstalk

由图8看到，远端串扰出现在传输线的延迟之后，好像是脉冲信号一样，脉冲的宽度为信号的上升时间。

由式（3）看到，远端串扰与耦合长度成正比，与上升时间成反比。首先，调整耦合长度，观察噪声电压的变化。图8所示的耦合长度为24 inches，此时噪声电压约为-550 mV。把耦合长度调整为18 inches（为原长度的3/4），12 inches（为原长度的一半），6 inches（为原长度的1/4）时观察噪声电压的数值。

当耦合长度为18inches时，噪声电压约为-430 mV，耦合长度为12 inches时，噪声电压约为-300 mV，耦合长度为6 inches时，噪声电压约为-150 mV。这些测量值与预测值基本吻合，能够反映出噪声电压随耦合长度成正比减小。

下面，我们观察随着上升时间的延长，远端噪声的变化情况。分别取上升时间为900 ps，1.35 ns和2.2 ns 3种情况进行观察。如图12、13、14所示。

当上升时间约为900 ps时，噪声电压约为-770 mV；当上升时间约为1.35 ns时，噪声电压约为-550 mV；当上升时间约为2.2 ns时，噪声电压约为-350 mV。测量值基本上与预测值相吻合，能够得到随着上升时间的延长，远端噪声随之成反比减小的结论。

注明：这些对远端噪声的测量结果均在微带线状态下得到。

图7 对图6标注的检测点进行测量Fig.7 Measurement of Fig.6's testing points

图8 将图7放大后的图像Fig.8 Enlarged imagesof Fig.7

图9 耦合长度为24 inches和18 inchesFig.9 Coupling length of 24 inches and 18 inches

图10 耦合长度为18 inches和12 inchesFig.10 Coupling length of 18 inches and 12 inches

图11 耦合长度为12 inches和6 inchesFig.11 Coupling length of 12 inches and 6 inches

图12 上升时间约为900 psFig.12 Rise time was about 900 ps

3 结 论

对于近端串扰，分别在微带线和带状线两种情况下进行仿真实验，得到的结论相同。即，通过缩短耦合长度可以使近端串扰成正比减小。对于远端串扰，在微带线条件下，通过缩短耦合长度或者延长上升时间均可以使其按正比例或者反比例关系减小；在带状线条件下，无远端串扰出现。所以综合来看，如果布线关键网络，比如时钟线等，应以带状线方式布线。

图13 上升时间约为1.35 nsFig.13 Rise time was about 1.35 ns

图14 上升时间约为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 稿件编号：201408087

靳 皓（1978—），男，天津人，硕士，讲师。研究方向：电子线路设计。