光收發(fā)一體模塊設(shè)計(jì)中的串?dāng)_分析

引言

　　在小型化光收發(fā)一體模塊如SFP，SFF電路中，由于布線密度的增大而使互連線之間串?dāng)_作用變得十分明顯，特別在2.5G以上 高頻電信號的作用下，這種分布性質(zhì)的耦合作用更是不容忽略。本文就串?dāng)_的分析計(jì)算做了簡要的闡述。
串?dāng)_的產(chǎn)生

　　形成串?dāng)_的根本原因是信號變化引起周邊的電磁場發(fā)生變化，特別是對于高速信號，信號的上升和下降沿的時(shí)間可以達(dá)到ps級，高頻分量非常豐富，信號線之間的寄生電容和電感容易成為串?dāng)_信號的耦合通道。在光收發(fā)模塊特別是LC小型化封裝模塊中，發(fā)射、接收端相鄰的兩條信號線之間以及地平面之間的耦合會(huì)形成串?dāng)_，所以串?dāng)_又稱為三線系統(tǒng)。傳輸線上分布著電感分量和電容分量，所以整個(gè)信號之間的串?dāng)_由兩部分組成，即容性耦合干擾和感性耦合干擾。由Cwire=Csub+Cint以及 Cint=(εdi/tdi) ×W×L可知，互連線上的電容由互連線與襯底間的電容及互連線間的電容組成,互連線間的電容與它們之間的間距成反比。隨著工藝的發(fā)展，電路板上布線密度越來越大，互連線之間的間距越來越小，互連線之間的耦合電容Cint相對于線與襯底之間的電容Csub越來越大，隨著芯片工作頻率的不斷提高，互連線之間的電磁耦合效應(yīng)也不斷加大，導(dǎo)致互連線之間的相互影響越來越大。

對于某種導(dǎo)線，假設(shè)單位長度分布電感和分布電容分別如下：
L= 0.999nH /mm ，C =0.0111pF/ mm
當(dāng)信號頻率為f1 =50Hz ，單位長度上的電抗和電納分別為：
=3.14×/mm
= 2=3.49×/mm
　　當(dāng)信號頻率為f2 = 2.5GHz 時(shí)，單位長度上的電抗和電納為
　　=2=1.57×10/mm
=2=1.745×/mm
很顯然，信號頻率越高相應(yīng)分布參數(shù)的值越大，分布參數(shù)對電路的影響就越大。

串?dāng)_對電路的影響

　　串?dāng)_對電路的通常有兩個(gè)方面的影響，一是性能上的，一是功能上的。由于串?dāng)_會(huì)導(dǎo)致電路違反建立時(shí)間和保持時(shí)間的約束，影響到電路的時(shí)序，從而產(chǎn)生如誤碼等現(xiàn)象，導(dǎo)致性能的下降。此外，由串?dāng)_所產(chǎn)生的較大的尖鋒脈沖有可能造成電路的功能錯(cuò)誤。當(dāng)噪聲與信號的變化方向相同時(shí)，信號的變化就可能會(huì)加快，從而導(dǎo)致違反保持時(shí)間的約束；當(dāng)噪聲與信號的變化方向相反時(shí)，信號的變化就可能會(huì)減慢，從而導(dǎo)致違反建立時(shí)間的約束。而如果由于噪聲的影響而出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)期足夠?qū)挘�幅度足夠大的脈沖時(shí)，就可能會(huì)導(dǎo)致電路的功能錯(cuò)誤。因此串?dāng)_超出一定的值將可能引發(fā)電路誤動(dòng)作從而導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。

串?dāng)_模型分析

容性串?dāng)_

　　兩條信號線，稱為噪聲源和噪聲接收器。因?yàn)閮蓷l線間的電容特性，源上的噪聲能耦合到接收線，這樣導(dǎo)致以電流形式注入接收線。在傳輸線上，電流在Z兩個(gè)方向上傳播，直到在源和負(fù)載上被消耗。在線路上產(chǎn)生的電壓尖峰由Z決定。當(dāng)電流脈沖到達(dá)Zs和ZL，它就會(huì)沿電阻被消耗且電壓與阻抗成正比。如果在源或負(fù)載上的阻抗不匹配，就會(huì)發(fā)生反射。對于沒有端接的負(fù)載而言，ZL上的電壓峰值會(huì)很大。而端接負(fù)載能有效地減少下一個(gè)器件的輸入電壓噪聲。 但會(huì)帶來損耗。

　　也能通過分離線路來減少容性串?dāng)_。如果電路板上余留空間足夠的話，應(yīng)盡可能的讓信號線保持大的間隔。因?yàn)樾盘柧�路分離越遠(yuǎn),電容越少,串?dāng)_會(huì)越小。另外在相鄰信號線間放置一根地線也能很有效的減小電容。如圖2所示信號現(xiàn)在是與地耦合,不再是與鄰近線耦合。

　　應(yīng)當(dāng)注意，地線必須是完整的地，如果僅僅是在線路末端連接到地層，它就會(huì)有相當(dāng)高的阻抗。要有好的接地，應(yīng)將地線上的每間隔信號的最高頻率分量的四分之一波長打孔且與地層連接。

感性串?dāng)_

　　感性串?dāng)_可以認(rèn)為是不希望的變壓器的主副線圈（板上電流環(huán)路）間的信號耦合。與負(fù)載耦合的不希望的信號量取決于環(huán)路的大小和相距程度，也與受影響的負(fù)載阻抗有關(guān)。轉(zhuǎn)換的能量隨環(huán)路越大且靠得越近而增加。在負(fù)載，即副環(huán)路上，信號的大小隨負(fù)載阻抗而增加。

　　環(huán)路電感（L）隨環(huán)路尺寸增大而增加，當(dāng)兩個(gè)環(huán)路互連，一個(gè)將為主電感（LP），另一個(gè)為副電感（LS），如圖3 雖然信號線不會(huì)被有目的地設(shè)計(jì)成變壓器，為松散耦合，然而，它能在副環(huán)上產(chǎn)生干擾。

　　如果感性串?dāng)_是由于人工布線引起的環(huán)路環(huán)路，是比較好解決的，只要拆除環(huán)路就可，但處理這種環(huán)路是一種挑戰(zhàn)。如果串?dāng)_是由源信號和返回信號環(huán)路產(chǎn)生的，顯然是不能切斷該環(huán)路，但保持低負(fù)載阻抗，常能最小化串?dāng)_的影響。圖4說明了一個(gè)帶有負(fù)載的自然副環(huán)路的簡單描述。這兒的Zs是副環(huán)路固有的阻抗。注意串行電流（Is），因?yàn)樽杩挂彩谴��?lián)的，Is在環(huán)路中處處都是一樣的。對于常量Is，通過最大阻抗的電壓降是最大的。在沒有端接的線路上，這種情形常是線路末端上的負(fù)載；即在接收器件的輸入上。

感性串?dāng)_和容性串?dāng)_的基本分析公式如下：
Xtalk(ind)=(Lm)/(Ra×Tr)
式中，Lm是互感，Ra是干擾源的終端匹配電阻，Tr是信號上升沿的時(shí)間。
Xtalk(cap)=(Ra×Cm)/Tr
式中，Cm是耦合電容，Ra是被干擾對象的終端匹配電阻，Tr是信號上升沿的時(shí)間。

　　從上面的公式可以看出，串?dāng)_的大小與很多因素有關(guān)，如信號的速率、信號的上升沿和下降沿的速率、PCB板層的參數(shù)、信號線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性及線端接方式等。

　　層傳輸線之間的串?dāng)_，它們之間串?dāng)_的大小正比于 。很明顯加大并行信號之間間距（D）或者減小信號到平面層之間的距離（H）都有助于減小同層信號之間的串?dāng)_。

　　此外，串?dāng)_還跟信號的邊沿速度有密切的關(guān)系。由前述理論可以知道后向串?dāng)_（受害者線路在源方向上擴(kuò)展的相同極性之和）隨并行信號平行線長度的增大而迅速增強(qiáng)，到達(dá)某一值后將固定不變，不再隨平行信號長度的變化而變化，把后向串?dāng)_到達(dá)穩(wěn)定值的平行信號長度稱為“恒定長度”，這個(gè)長度可以折算成信號傳輸時(shí)延TRT，它與信號上升時(shí)間TR相等，因此，當(dāng)TRT小于TR時(shí)，串?dāng)_大小與并行距離有關(guān)；當(dāng)TRT大于TR時(shí)，串?dāng)_大小與并行距離無關(guān)。

　　這里是相對介電常數(shù)，帶狀線情況下a=1，b=0，微帶線情況下a=475，b=67。

　　本文小結(jié)：主要講解了光收發(fā)一體模塊設(shè)計(jì)電路中的串?dāng)_。包括串?dāng)_的形成、本質(zhì)，對電路的影響，以及主要的容性串?dāng)_和感性串?dāng)_的模型分析計(jì)。此外還簡單的講述了電路板傳輸線及層與串?dāng)_的關(guān)系。