利用Q2D分析传输线的串扰

技术邻学院

公式i=Cm*dV/dt和v=Lm*dI/dt已经很明确的说明了引起串扰的2个原因：

1、导体间的互容Cm和互感Lm，这是物体固有的属性，只有强弱之分，没有有无之分，是必定存在的；

2、如果在信号线上没有电压或电流的变化，即dv/dt=0、di/dt=0，那么也不会存在串扰的问题；

可惜现实没有那么简单，由于layout空间局限，互容和互感值较大，同时信号变化速度又快，稍不留神，串扰就飚的很高，解决起来往往十分棘手。

不过万事万物都离不开一个“理”字，追本溯源，谜底方开。上面提到，互容和互感是必定存在的，无法消除，只能减小减小再减小。元凶便是变化的电压或电流引起的电磁场，没有这个电磁场，世界得多清净。

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1.1、电容性耦合：

• 两相邻的导线（或导体），如果靠的够近，当一条线上有电压信号的变化，会产生电场对另一线耦合出电流信号变化。由于这是电场的影响，所以可以通过寄生电容（互容，mutual capacitance）模型来解释。

  
  
  

1.2、电感性耦合：

• 两个相邻的导线（或导体），如果靠的够近，当一条线上有电流信号的变化时，会产生磁场对另一条线耦合出电压信号的变化。由于这是磁场的影响，所以可用通过寄生电感（互感，mutual inductance）来解释。

  
  

问题：如何理解互容与电场的关系？

• A、电场总是起于高电压止于低电压（V=0），并且沿着电场线电压逐渐变低；

• B、现在由于电力线的存在，相当于在攻击线和受害线之间加上了一个电压，即在互容Cm两端存在电压差，对电容充电，自然就产生了感应电流；

  
  

问题：如何理解互感与磁场的关系？

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利用Q2D分析互容和互感的变化趋势及电磁场分布：

2.1、线间距的影响

随着间距增大，互感和互容变弱，3倍线宽后，变弱趋势变缓；观察电磁场分布，离的越近，到达受害线的电力线和磁力线的数目越多，3倍线宽后，明显到达受害线的电力线和磁力线数目减小。

2.2、增大线宽W能否减小串扰？

从互容和互感的值比较来看，的确增大线宽可以一定程度上减小互容和互感，注意要保持阻抗都为50ohm比较才有意义。

线宽加宽后电场E幅度对比：

明显线宽加宽后，在攻击线处的电场幅度要小，类似于平行板电容器，面积越大，对电场的束缚越大，电场越不容易往外传播；

线宽加宽后磁场H幅度对比：

为什么磁场的幅度变化不大？因为磁场是沿着信号路径画圈圈的，加大线宽对信号路径的回路大小几乎没有影响。

特别注意：虽然增大线宽可以减小互容和互感，但是从下面表格数据对比可以看出，互容和互感值变化平缓，即增大线宽可以减轻串扰，然而改善效果有限。

2.3 添加防护布线是否有用？

增加防护布线（短路）可以减小传输线间的互容和互感，尤其是线间距越大，效果越好；

添加防护布线后电场分布：

因为电场总是由高电压向低电压，由正电荷向负电荷移动，添加防护布线后，有部分电力线会回归到中间的GND上，到达攻击线上的电力线就少，串扰自然也就减弱了。

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