利用Q2D分析傳輸線的串擾

公式i=Cm*dV/dtv=Lm*dI/dt已經很明確的說明了引起串擾的2個原因:

1、導體間的互容Cm和互感Lm,這是物體固有的屬性,只有強弱之分,沒有有無之分,是必定存在的;

2、如果在信號線上沒有電壓或電流的變化,即dv/dt=0、di/dt=0,那么也不會存在串擾的問題;

可惜現實沒有那么簡單,由于layout空間局限,互容和互感值較大,同時信號變化速度又快,稍不留神,串擾就飚的很高,解決起來往往十分棘手。

不過萬事萬物都離不開一個“理”字,追本溯源,謎底方開。上面提到,互容和互感是必定存在的,無法消除,只能減小減小再減小。元兇便是變化的電壓或電流引起的電磁場,沒有這個電磁場,世界得多清凈。


1.1、電容性耦合:

  • 兩相鄰的導線(或導體),如果靠的夠近,當一條線上有電壓信號的變化,會產生電場對另一線耦合出電流信號變化。由于這是電場的影響,所以可以通過寄生電容(互容,mutual capacitance)模型來解釋。

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1.2、電感性耦合:

  • 兩個相鄰的導線(或導體),如果靠的夠近,當一條線上有電流信號的變化時,會產生磁場對另一條線耦合出電壓信號的變化。由于這是磁場的影響,所以可用通過寄生電感(互感,mutual inductance)來解釋。

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問題:如何理解互容與電場的關系?

  • A、電場總是起于高電壓止于低電壓(V=0),并且沿著電場線電壓逐漸變低;

  • B、現在由于電力線的存在,相當于在攻擊線和受害線之間加上了一個電壓,即在互容Cm兩端存在電壓差,對電容充電,自然就產生了感應電流;

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問題:如何理解互感與磁場的關系?

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利用Q2D分析互容和互感的變化趨勢及電磁場分布:

2.1、線間距的影響

隨著間距增大,互感和互容變弱,3倍線寬后,變弱趨勢變緩;觀察電磁場分布,離的越近,到達受害線的電力線和磁力線的數目越多,3倍線寬后,明顯到達受害線的電力線和磁力線數目減小。

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2.2、增大線寬W能否減小串擾?

從互容和互感的值比較來看,的確增大線寬可以一定程度上減小互容和互感,注意要保持阻抗都為50ohm比較才有意義。

利用Q2D分析傳輸線的串擾的圖8

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利用Q2D分析傳輸線的串擾的圖11


線寬加寬后電場E幅度對比:

明顯線寬加寬后,在攻擊線處的電場幅度要小,類似于平行板電容器,面積越大,對電場的束縛越大,電場越不容易往外傳播;

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線寬加寬后磁場H幅度對比:

為什么磁場的幅度變化不大?因為磁場是沿著信號路徑畫圈圈的,加大線寬對信號路徑的回路大小幾乎沒有影響。

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特別注意:雖然增大線寬可以減小互容和互感,但是從下面表格數據對比可以看出,互容和互感值變化平緩,即增大線寬可以減輕串擾,然而改善效果有限。

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2.3 添加防護布線是否有用?

增加防護布線(短路)可以減小傳輸線間的互容和互感,尤其是線間距越大,效果越好;

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添加防護布線后電場分布:

因為電場總是由高電壓向低電壓,由正電荷向負電荷移動,添加防護布線后,有部分電力線會回歸到中間的GND上,到達攻擊線上的電力線就少,串擾自然也就減弱了。

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