光收發(fā)一體模塊設(shè)計(jì)中的串?dāng)_分析

在小型化光收發(fā)一體模塊如SFP，SFF電路中，由于布線密度的增大而使互連線之間串?dāng)_作用變得十分明顯，特別在2.5G以上高頻電信號(hào)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?dāng)_的分析計(jì)算做了簡(jiǎn)要的闡述。

串?dāng)_的產(chǎn)生

形成串?dāng)_的根本原因是信號(hào)變化引起周邊的電磁場(chǎng)發(fā)生變化，特別是對(duì)于高速信號(hào)，信號(hào)的上升和下降沿的時(shí)間可以達(dá)到ps級(jí)，高頻分量非常豐富，信號(hào)線之間的寄生電容和電感容易成為串?dāng)_信號(hào)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(hào)線之間以及地平面之間的耦合會(huì)形成串?dāng)_，所以串?dāng)_又稱為三線系統(tǒng)。傳輸線上分布著電感分量和電容分量，所以整個(gè)信號(hào)之間的串?dāng)_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，互連線上的電容由互連線與襯底間的電容及互連線間的電容組成,互連線間的電容與它們之間的間距成反比。隨著工藝的發(fā)展，電路板上布線密度越來(lái)越大，互連線之間的間距越來(lái)越小，互連線之間的耦合電容Cint相對(duì)于線與襯底之間的電容Csub越來(lái)越大，隨著芯片工作頻率的不斷提高，互連線之間的電磁耦合效應(yīng)也不斷加大，導(dǎo)致互連線之間的相互影響越來(lái)越大。

對(duì)于某種導(dǎo)線，假設(shè)單位長(zhǎng)度分布電感和分布電容分別如下：
L= 0.999nH /mm ，C =0.0111pF/ mm
當(dāng)信號(hào)頻率為f1 =50Hz ，單位長(zhǎng)度上的電抗和電納分別為：
=3.14×/mm
= 2=3.49×/mm
當(dāng)信號(hào)頻率為f2 = 2.5GHz 時(shí)，單位長(zhǎng)度上的電抗和電納為
=2=1.57×10/mm
=2=1.745×/mm
很顯然，信號(hào)頻率越高相應(yīng)分布參數(shù)的值越大，分布參數(shù)對(duì)電路的影響就越大。

串?dāng)_對(duì)電路的影響

串?dāng)_對(duì)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?dāng)_會(huì)導(dǎo)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(xiàn)象，導(dǎo)致性能的下降。此外，由串?dāng)_所產(chǎn)生的較大的尖鋒脈沖有可能造成電路的功能錯(cuò)誤。當(dāng)噪聲與信號(hào)的變化方向相同時(shí)，信號(hào)的變化就可能會(huì)加快，從而導(dǎo)致違反保持時(shí)間的約束；當(dāng)噪聲與信號(hào)的變化方向相反時(shí)，信號(hào)的變化就可能會(huì)減慢，從而導(dǎo)致違反建立時(shí)間的約束。而如果由于噪聲的影響而出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)期足夠?qū)?，幅度足夠大的脈沖時(shí)，就可能會(huì)導(dǎo)致電路的功能錯(cuò)誤。因此串?dāng)_超出一定的值將可能引發(fā)電路誤動(dòng)作從而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

串?dāng)_模型分析

容性串?dāng)_

兩條信號(hào)線，稱為噪聲源和噪聲接收器。因?yàn)閮蓷l線間的電容特性，源上的噪聲能耦合到接收線，這樣導(dǎo)致以電流形式注入接收線。在傳輸線上，電流在Z兩個(gè)方向上傳播，直到在源和負(fù)載上被消耗。在線路上產(chǎn)生的電壓尖峰由Z決定。當(dāng)電流脈沖到達(dá)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(fù)載上的阻抗不匹配，就會(huì)發(fā)生反射。對(duì)于沒(méi)有端接的負(fù)載而言，ZL上的電壓峰值會(huì)很大。而端接負(fù)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)分離線路來(lái)減少容性串?dāng)_。如果電路板上余留空間足夠的話，應(yīng)盡可能的讓信號(hào)線保持大的間隔。因?yàn)樾盘?hào)線路分離越遠(yuǎn),電容越少,串?dāng)_會(huì)越些另外在相鄰信號(hào)線間放置一根地線也能很有效的減小電容。如圖2所示信號(hào)現(xiàn)在是與地耦合,不再是與鄰近線耦合。

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

感性串?dāng)_

感性串?dāng)_可以認(rèn)為是不希望的變壓器的主副線圈（板上電流環(huán)路）間的信號(hào)耦合。與負(fù)載耦合的不希望的信號(hào)量取決于環(huán)路的大小和相距程度，也與受影響的負(fù)載阻抗有關(guān)。轉(zhuǎn)換的能量隨環(huán)路越大且靠得越近而增加。在負(fù)載，即副環(huán)路上，信號(hào)的大小隨負(fù)載阻抗而增加。