串擾的煩惱

少年有維特的煩惱，而SI/PI工程師有串擾的煩惱。串擾是在做SI相關的工程師經常聽到或遇到的問題，但實質上能理解串擾的工程師還是少數。不管是在低速或是高速電路的設計甚至射頻電路、天線都會有串擾的問題存在。有人可能會想說天線？！是的，像陣列天線會特別強調Iolation。簡單來說，兩條傳輸線或導體，相鄰布線就會有串擾的風險。

01  引起串擾的原因是什么？

串擾是因為傳輸線之間，透過電磁場相互耦合而產生出的干擾能量（噪聲）。好像有點抽象，說白了就是互容和互感的效應。如果是EE相關背景應該都不陌生。也就是說兩條微帶（帶狀）傳輸線中間相隔空氣（FR4），就會形成寄生電容，互感也是如此。如果不熟悉電容電感可以先看看維基百科 電容 電感的解釋。傳輸的能量（訊號）所含的高頻成分越多，串擾效應會越明顯。

這句話是什么意思？訊號里的高頻成分？首先我們要先知道的傳輸信號的屬性， 簡單來說一般我們傳輸的數字信號（方波）他是屬于寬帶的信號，如果數字波形越理想所涵蓋的高頻成分就會越多，信號所需要的Rise time就越快。不懂可以看一下海綿寶寶跟派大星的傅立葉轉換的關系。海綿寶寶的頭越方正，派大星旁邊的高頻諧波成分就越多（紅色圈圈）！

 海綿寶寶做傅立葉轉換

看個圖可能比較容易理解，由下圖可以看到，由微帶傳輸線所引起的電力線之邊緣場會影響到鄰近的傳輸線導體。也可以解釋成磁流透過寄生電容流入另一條導線。(I=CdV/dt)

02  近端串擾與遠端串擾

在實務上工程師將串擾分成近端與遠端兩種干擾模式，通常為了快速理解將導線分成有源（攻擊線， agressor）與無源（靜態線， Victim）兩種狀態。在靜態線上靠近源端的量測點可被定義成近端，反之靠近終端者為遠端。如圖所示：

互感的串擾

當Agressor傳輸一個步階方波，前面提到由于寄生電容在電壓變化時，會產生磁流流進Victim，一部分往近端方向前進，另一部分往遠端。同時兩導線也有互感效應，但不同的是根據楞次定律，當一導體感受到瞬間電壓變化會產生反向電壓抗拒，故在遠端處除了電容耦合電壓外，也會有一反向的感應電壓產生負向的電流。近端的干擾時間為導體時延（長度）的兩倍（去回），遠端則是持續Rise time的時間，Waveform如下圖：

也就是串擾會發生在電壓變化的情況，所以呼應前段所說，高頻成分越多，rise time 越快，發生串擾的風險越高。另位從數學式也可以看出近端是電容與電感耦合效應相加，遠端是相減。遠端上電感感應的能量（能量累加）會大于電容互耦的能量，所以在Waveform上會是呈現負值的電壓。詳細可以參考互聯網星空 Crosstalk的解釋。有趣的是遠程串擾跟傳輸線長度與Rise time大小有關，從前面的解釋應該可以略知一二。

 Xtalk數學式

03  減小串擾的方法

電路布線常會有串擾的風險，最后簡單說明幾個減小串擾的方法，常見增大走線間距、使兩導體的有串擾風險的區域最小化、相鄰層走線時傳輸線互相彼此垂直、降低板材介電常數（確保阻抗控制）、內層布線（減小遠程串擾）... 等。至于內層布線可以消除遠端串擾的原因在于，內層布線導體接觸的介電質相同，電感與電容互耦的能量可以相消。故內層布線的遠程串擾通常可以小于-50 dB。其實減小串擾的重點就是減小兩導體間的互耦效應。

04 一些有用的方法

看到這里你或許會想，不是阿！哪有每個電路的空間都么大，讓我可以兩條訊號線間距很遠。確實，有些結構是很難避免的，所以需要思考哪些結構是主要的發生點，以及哪一部分可以避免。

像是可以利用Via 錯位的方式減少串擾的影響（先忽略P/N沒有對稱的情況XD），如下圖：

 相鄰Via錯位布線

近場的影響

酷炫一點的像是2015年Intel發表的文章，利用再傳輸線上增加Stub（tabbed line）的結構，增加互容的能量，減少遠端的串擾。

 利用Stub結構減小遠程串擾

05  結語

后來想想人的行為跟串擾很像，靠得太近容易吵架（loss）。有適當的距離反而產生美感。或許會想，那活人（agressor）對死人（Victim）呢？活人可能還是會有點Loss（怕爆）吧 。