光收發(fā)一體模塊設計中的串擾分析

在小型化光收發(fā)一體模塊如SFP，SFF電路中，由于布線(xiàn)密度的增大而使互連線(xiàn)之間串擾作用變得十分明顯，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。 本文就串擾的分析計算做了簡(jiǎn)要的闡述。

串擾的產(chǎn)生

形成串擾的根本原因是信號變化引起周邊的電磁場(chǎng)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)間可以達到ps級，高頻分量非常豐富，信號線(xiàn)之間的寄生電容和電感容易成為串擾信號的耦合通道。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(xiàn)之間以及地平面之間的耦合會(huì )形成串擾，所以串擾又稱(chēng)為三線(xiàn)系統。傳輸線(xiàn)上分布著(zhù)電感分量和電容分量，所以整個(gè)信號之間的串擾由兩部分組成，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(xiàn)上的電容由互連線(xiàn)與襯底間的電容及互連線(xiàn)間的電容組成,互連線(xiàn)間的電容與它們之間的間距成反比。隨著(zhù)工藝的發(fā)展，電路板上布線(xiàn)密度越來(lái)越大，互連線(xiàn)之間的間距越來(lái)越小，互連線(xiàn)之間的耦合電容Cint相對于線(xiàn)與襯底之間的電容Csub越來(lái)越大，隨著(zhù)芯片工作頻率的不斷提高，互連線(xiàn)之間的電磁耦合效應也不斷加大，導致互連線(xiàn)之間的相互影響越來(lái)越大。

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

串擾對電路的影響

串擾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。由于串擾會(huì )導致電路違反建立時(shí)間和保持時(shí)間的約束，影響到電路的時(shí)序，從而產(chǎn)生如誤碼等現象，導致性能的下降。此外，由串擾所產(chǎn)生的較大的尖鋒脈沖有可能造成電路的功能錯誤。當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，從而導致違反保持時(shí)間的約束；當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，從而導致違反建立時(shí)間的約束。而如果由于噪聲的影響而出現一個(gè)持續期足夠寬，幅度足夠大的脈沖時(shí)，就可能會(huì )導致電路的功能錯誤。因此串擾超出一定的值將可能引發(fā)電路誤動(dòng)作從而導致系統無(wú)法正常工作。

串擾模型分析

容性串擾

兩條信號線(xiàn)，稱(chēng)為噪聲源和噪聲接收器。因為兩條線(xiàn)間的電容特性，源上的噪聲能耦合到接收線(xiàn)，這樣導致以電流形式注入接收線(xiàn)。在傳輸線(xiàn)上，電流在Z兩個(gè)方向上傳播，直到在源和負載上被消耗。在線(xiàn)路上產(chǎn)生的電壓尖峰由Z決定。當電流脈沖到達Zs和ZL，它就會(huì )沿電阻被消耗且電壓與阻抗成正比。如果在源或負載上的阻抗不匹配，就會(huì )發(fā)生反射。對于沒(méi)有端接的負載而言，ZL上的電壓峰值會(huì )很大。而端接負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(lái)?yè)p耗。

也能通過(guò)分離線(xiàn)路來(lái)減少容性串擾。如果電路板上余留空間足夠的話(huà)，應盡可能的讓信號線(xiàn)保持大的間隔。因為信號線(xiàn)路分離越遠,電容越少,串擾會(huì )越些另外在相鄰信號線(xiàn)間放置一根地線(xiàn)也能很有效的減小電容。如圖2所示信號現在是與地耦合,不再是與鄰近線(xiàn)耦合。

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

感性串擾

感性串擾可以認為是不希望的變壓器的主副線(xiàn)圈（板上電流環(huán)路）間的信號耦合。與負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，也與受影響的負載阻抗有關(guān)。轉換的能量隨環(huán)路越大且靠得越近而增加。在負載，即副環(huán)路上，信號的大小隨負載阻抗而增加。