单端信号/差分信号对高速信号在差分线传输时的串扰分析
单端信号/差分信号对高速信号在差分线传输时的串扰分析
在高速数字电路设计中，信号完整性是确保系统稳定运行的关键因素之一。其中，串扰作为影响信号完整性的主要因素，其分析和抑制尤为重要。本文将深入探讨单端信号对差分信号以及差分信号对差分信号的串扰现象，分析其产生机制、影响效果，并提出有效的抑制措施。
单端信号对差分信号的串扰分析
单端信号对差分对的串扰是指单端信号在传输过程中，由于电磁场的耦合作用，对附近的差分信号线产生的干扰。这种现象在高速数字电路设计中尤其需要关注，因为它可能会影响差分信号的完整性，进而影响系统的性能。
耦合路径
当单端信号线与差分信号线平行布置时，它们之间会通过电磁耦合产生相互干扰。这种干扰可以通过电场耦合（电容耦合）和磁场耦合（电感耦合）两种路径发生。
干扰类型
- 近端串扰（Near-End Crosstalk, NEXT）：指干扰信号在接收端附近（近端）对差分信号的影响。
- 远端串扰（Far-End Crosstalk, FEXT）：指干扰信号在发送端附近（远端）对差分信号的影响。
影响效果
单端信号对差分对的影响通常会导致差分信号的眼图闭合，降低信号的质量和可靠性。差分信号对干扰的敏感度较高，尤其是当差分对的信号幅度相等且相位相反时，任何外部干扰都可能导致差分信号之间的平衡被破坏。
减小串扰的措施
- 增加信号线之间的距离，通过增大单端信号线与差分信号线之间的物理距离，可以减少电磁耦合。
- 使用屏蔽，在单端信号线周围使用屏蔽层可以有效地减小电磁干扰。
- 优化布局，合理布局信号线，避免单端信号线与差分信号线平行布置，或者使用地面或电源平面作为隔离层。
- 差分对走线等长等宽，确保差分对中的两根线等长等宽，可以增强差分信号的抗干扰能力。
差分信号对差分信号的串扰分析
差分信号对差分信号的干扰，通常是指一个差分信号通道对另一个相邻差分信号通道产生的串扰。由于差分信号通过两根信号线传输，这两根线上的信号具有相等的幅值但相位相反，因此在理论上它们能够很好地抵消共模干扰。然而，在实际的电路布局中，差分对之间的串扰仍然是一个需要关注的问题，尤其是在高速和高清信号传输的应用中。
串扰机制
和单端信号对差分信号的干扰类似，差分信号间的串扰也是通过电磁耦合发生的。两条差分信号线之间的电场耦合和磁场耦合会导致信号从一个差分对转移到另一个差分对。
串扰类型
和单端信号一样，差分信号之间的串扰也可以分为近端串扰（NEXT）和远端串扰（FEXT）。
影响效果
差分信号对之间的串扰可能会破坏差分对的平衡，导致接收端难以正确地识别信号。串扰可能会降低信号的噪声容限，增加误码率，影响信号的整体质量和系统性能。
减小差分信号对差分信号干扰的措施
- 增加差分对之间的间距，增大差分对之间的距离可以减少电磁耦合。
- 改善信号完整性，通过优化信号线的设计，比如使用等长走线、适当的线间距和线宽，可以减少串扰。
- 使用地平面或者电源平面作为隔离，合理地设计地平面或电源平面可以作为屏蔽层，减少差分对之间的干扰。
- 差分对的正交布局，在PCB设计中，将差分对彼此正交布置，可以减少它们之间的耦合。
仿真分析
通过采取上述措施，可以在设计阶段就将差分信号间的干扰降至最低，从而确保高速差分信号的正确传输和系统的高性能运作。下面来评估差分信号对差分信号的一个串扰分析。
下图是差分对的近端出差分串扰，紧耦合差分串扰噪声比松耦合的噪声更低。
下图是差分对的远端出差分串扰，紧耦合差分串扰噪声比松耦合的噪声更低。
下图时差分的近端共模串扰噪声，可以看到紧耦合的共模串扰噪声比松耦合时大。
下图时差分的远端共模串扰噪声，可以看到紧耦合的共模串扰噪声比松耦合时大。
结论
综上两种差分串扰情况的仿真，可以看到：
- 紧耦合差分线可以减小差分串扰噪声，这是由于差分对的耦合度越大，两条线上的噪声越接近相同，差分之后的噪声就越低。
- 紧耦合差分线会增加共模串扰噪声，因为紧耦对的远端离干扰源更近。
通过上述分析，我们可以得出结论：在高速信号传输系统的设计中，合理布局和优化信号线的走线方式是减小串扰的关键。同时，通过仿真分析可以更直观地理解不同耦合方式下的串扰特性，为实际工程设计提供参考。