光收发一体模块设计中的串扰分析

在小型化光收发一体模块如SFP，SFF电路中，由于布线密度的增大而使互连线之间串扰作用变得十分明显，特别在2.5G以上高频电信号的作用下，这种分布性质的耦合作用更是不容忽略。 本文就串扰的分析计算做了简要的阐述。

串扰的产生

形成串扰的根本原因是信号变化引起周边的电磁场发生变化，特别是对于高速信号，信号的上升和下降沿的时间可以达到ps级，高频分量非常丰富，信号线之间的寄生电容和电感容易成为串扰信号的耦合通道。在光收发模块特别是LC小型化封装模块中，发射、接收端相邻的两条信号线之间以及地平面之间的耦合会形成串扰，所以串扰又称为三线系统。传输线上分布着电感分量和电容分量，所以整个信号之间的串扰由两部分组成，即容性耦合干扰和感性耦合干扰。由Cwire=Csub+Cint以及 Cint=(εdi/tdi) ×W×L可知，互连线上的电容由互连线与衬底间的电容及互连线间的电容组成,互连线间的电容与它们之间的间距成反比。随着工艺的发展，电路板上布线密度越来越大，互连线之间的间距越来越小，互连线之间的耦合电容Cint相对于线与衬底之间的电容Csub越来越大，随着芯片工作频率的不断提高，互连线之间的电磁耦合效应也不断加大，导致互连线之间的相互影响越来越大。

对于某种导线，假设单位长度分布电感和分布电容分别如下：
L= 0.999nH /mm ，C =0.0111pF/ mm
当信号频率为f1 =50Hz ，单位长度上的电抗和电纳分别为：
=3.14×/mm
= 2=3.49×/mm
当信号频率为f2 = 2.5GHz 时，单位长度上的电抗和电纳为
=2=1.57×10/mm
=2=1.745×/mm
很显然，信号频率越高相应分布参数的值越大，分布参数对电路的影响就越大。

串扰对电路的影响

串扰对电路的通常有两个方面的影响，一是性能上的，一是功能上的。由于串扰会导致电路违反建立时间和保持时间的约束，影响到电路的时序，从而产生如误码等现象，导致性能的下降。此外，由串扰所产生的较大的尖锋脉冲有可能造成电路的功能错误。当噪声与信号的变化方向相同时，信号的变化就可能会加快，从而导致违反保持时间的约束；当噪声与信号的变化方向相反时，信号的变化就可能会减慢，从而导致违反建立时间的约束。而如果由于噪声的影响而出现一个持续期足够宽，幅度足够大的脉冲时，就可能会导致电路的功能错误。因此串扰超出一定的值将可能引发电路误动作从而导致系统无法正常工作。

串扰模型分析

容性串扰

两条信号线，称为噪声源和噪声接收器。因为两条线间的电容特性，源上的噪声能耦合到接收线，这样导致以电流形式注入接收线。在传输线上，电流在Z两个方向上传播，直到在源和负载上被消耗。在线路上产生的电压尖峰由Z决定。当电流脉冲到达Zs和ZL，它就会沿电阻被消耗且电压与阻抗成正比。如果在源或负载上的阻抗不匹配，就会发生反射。对于没有端接的负载而言，ZL上的电压峰值会很大。而端接负载能有效地减少下一个器件的输入电压噪声。 但会带来损耗。

也能通过分离线路来减少容性串扰。如果电路板上余留空间足够的话，应尽可能的让信号线保持大的间隔。因为信号线路分离越远,电容越少,串扰会越些另外在相邻信号线间放置一根地线也能很有效的减小电容。如图2所示信号现在是与地耦合,不再是与邻近线耦合。

应当注意，地线必须是完整的地，如果仅仅是在线路末端连接到地层，它就会有相当高的阻抗。要有好的接地，应将地线上的每间隔信号的最高频率分量的四分之一波长打孔且与地层连接。

感性串扰

感性串扰可以认为是不希望的变压器的主副线圈（板上电流环路）间的信号耦合。与负载耦合的不希望的信号量取决于环路的大小和相距程度，也与受影响的负载阻抗有关。转换的能量随环路越大且靠得越近而增加。在负载，即副环路上，信号的大小随负载阻抗而增加。