摘要：如上图，A点为驱动源,如果A点为干扰源,则A、B之间的网络称为干扰源网络,位于D点的接收器为被干扰对象,CD之间的网络称为被干扰对象网络，位于C点的串扰称为近端串扰，位于D点的串扰称为远端串扰，当干扰源状态发生变化时，被干扰对象网络上会产生串扰脉冲，影响信号质

什么是串扰

芯片串扰是指在芯片内部，信号在传输过程中，由于相邻信号线之间的电磁耦合，导致一个信号的能量部分地耦合到其他信号线上，从而对其他信号产生干扰的现象。

如上图，A点为驱动源,如果A点为干扰源,则A、B之间的网络称为干扰源网络,位于D点的接收器为被干扰对象,CD之间的网络称为被干扰对象网络，位于C点的串扰称为近端串扰，位于D点的串扰称为远端串扰，当干扰源状态发生变化时，被干扰对象网络上会产生串扰脉冲，影响信号质量。电磁耦合包括容性耦合、感性耦合和辐射耦合。

容性串扰

容性串扰是芯片串扰的一种，主要是由于相邻信号线之间存在寄生电容，从而导致信号耦合产生干扰。当一根信号线上的电压发生变化时，通过寄生电容会在相邻信号线上产生感应电荷，进而产生感应电压，形成容性串扰。这种串扰在高速、高密度的芯片设计中尤为突出，因为此时信号线间距小，寄生电容效应更明显。

任意两导体之间都会存在互容,干扰源网络会通过分布电容把电流合到相邻的被干扰对象网络上去。下图是两传输线之间容性耦合的等效模型，截取一小段X，设单位长度互容为Cm,当在干扰源网络的源端加一电压为Us,的激励信号后,会有容性耦合电流流向被干扰对象网络的近端和远端,设远端耦合电压为Uf，近端耦合电压为 Ub.

由于对称，容性耦合噪声电流，一半流向近端，一半流向远端，由基尔霍夫定律可得：

上时钟Z0是阻抗。由于对称，所以Ub=Uf，将上式简并：

远端容性耦合噪声跟着干扰源信号一起向远端传播,干扰源每走一步都会在被干扰对象网络上产生远端容性耦合噪声,这些噪声会一直累加,当信号到达负载端的同时,远端容性耦合噪声也会到达远端,因此对于线长为L的远端，远端噪声电压为:

假如源端激励信号的边沿是线性上升的,上升时间为t,则远端容性耦合噪声波形为一个宽为t的矩形脉冲,脉冲幅度与耦合长度L成正比,与激励信号的上升时间成反比。

近端容性耦合噪声和干扰源信号的传播信号方向相反,因此干扰源注入电流的交迭时间只有干扰源信号上升时间的一半,为t/2。之后随着干扰源向负载端的移动,会不断的产生近端容性耦合噪声向近端传播,当干扰源信号到达负载端时，就不再有耦合噪声出现,但被干扰对象网络上的串扰脉冲会经过TD时间从远端传回近端。因此近端容性耦合噪声电压先上升到一个恒定值并持续时间2*TD,然后下降到0,此噪声电压幅值为:

其中U0 为干扰源的峰值电压。因此当耦合长度大于干扰源信号前沿的空间延伸时,近端容性合噪声电压的幅值与合长度无关,近端容性耦合噪声波形的宽度与合长度成正比。

感性串扰

感性串扰是芯片中由于相邻导线间的互感作用，使一根导线上的电流变化在另一根导线上产生感应电压，进而对信号造成干扰的现象。以下是其产生原理和影响的具体介绍。当芯片中一根导线上有变化的电流通过时，会产生变化的磁场，根据电磁感应定律，变化的磁场会在周围的导体中产生感应电动势。相邻导线处于该变化磁场中，就会产生感应电压，形成感性串扰。感性串扰与电流的变化率、导线间的互感系数等因素有关。电流变化率越大、互感系数越大，感性串扰越明显。

下图是感性耦合等效模型，其中Is为激励源电流，m为单位长度的互感。

由电流的连续性可知，近端感性耦合与远端感性耦合噪声的极性相反，因此可以得到：

将Is=Us/Z0代入上式得到：

同容性串扰一样，感性串扰的远端和近端的噪声幅值为：

辐射串扰

芯片辐射串扰是指芯片内部或外部的电磁辐射，对芯片内的信号传输线或器件产生干扰的现象。 产生原因包括内部辐射源和外部辐射源。内部辐射源：芯片内的高速时钟电路、高频信号发生器等是主要辐射源，它们工作时会产生高频电磁波。当这些电磁波的频率较高且强度较大时，就可能会对周围的信号线和器件产生辐射串扰。外部辐射源：芯片周围的其他电子设备、电源线、无线信号等也可能成为外部辐射源。如果芯片的屏蔽措施不完善，外部的电磁辐射就容易进入芯片内部，导致辐射串扰。

如何化解串扰

芯片设计层面。优化布局布线：合理规划芯片内部模块布局，将产生强干扰的模块与敏感模块分开，加大间距。同时，尽量减少平行信号线长度，增加相邻信号线间距，还可采用交错布线方式打乱干扰源与受扰线的耦合路径。调整信号层与电源层：增加电源层和地层数量，为信号提供稳定参考平面，减少电源噪声对信号的影响。合理分配信号层，将高速、敏感信号分布在不同层，避免相邻层信号相互干扰。采用差分信号传输：差分信号以两根信号线传输大小相等、极性相反的信号，对共模干扰有很强抑制能力，能有效减少串扰噪声。

芯片制造层面。优化工艺参数：精确控制光刻、蚀刻等工艺参数，确保信号线宽度、间距等尺寸精度，减少工艺偏差导致的寄生参数变化，降低串扰噪声。使用低噪声材料：选择介电常数低、损耗角正切小的绝缘材料，可减小信号线间寄生电容，降低容性串扰。同时，采用电阻率低、导电性能好的金属材料作信号线，减少电阻热噪声。

系统层面。电磁屏蔽：使用金属屏蔽罩、屏蔽网等对芯片局部或整个系统进行屏蔽，阻止外部电磁干扰进入芯片，也防止芯片内部串扰噪声传播到外部。滤波处理：在芯片电源输入端和信号输入输出端安装滤波器，滤除电源线上高频噪声和信号线上的干扰信号，减少串扰噪声的传播。

文章来源于志芯，作者JackXu

来源：小象科技园地