在當今數(shù)字化時代，芯片作為各種電子設(shè)備的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響著設(shè)備的整體表現(xiàn)。而在芯片內(nèi)部，信號傳輸過程中常常會受到各種干擾，其中串擾噪聲是一個不容忽視的問題。芯片串擾是指在芯片內(nèi)部，信號在傳輸過程中，由于相鄰信號線之間的電磁耦合，導(dǎo)致一個信號的能量部分地耦合到其他信號線上，從而對其他信號產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象。這種干擾會影響信號質(zhì)量，進而影響芯片的性能和可靠性。電磁耦合主要包括容性耦合、感性耦合和輻射耦合，與之相對應(yīng)，芯片中的串擾噪聲主要分為容性串擾、感性串擾和輻射串擾三類。

容性串擾

容性串擾是芯片串擾的一種常見類型，主要是由于相鄰信號線之間存在寄生電容，從而導(dǎo)致信號耦合產(chǎn)生干擾。在芯片的制造過程中，由于工藝的限制，相鄰信號線之間不可避免地會存在一定的寄生電容。當一根信號線上的電壓發(fā)生變化時，通過寄生電容會在相鄰信號線上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，進而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，形成容性串擾。

在高速、高密度的芯片設(shè)計中，容性串擾尤為突出。因為此時信號線間距小，寄生電容效應(yīng)更明顯。任意兩導(dǎo)體之間都會存在互容，干擾源網(wǎng)絡(luò)會通過分布電容把電流耦合到相鄰的被干擾對象網(wǎng)絡(luò)上去。由于對稱，容性耦合噪聲電流，一半流向近端，一半流向遠端。遠端容性耦合噪聲跟著干擾源信號一起向遠端傳播，干擾源每走一步都會在被干擾對象網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生遠端容性耦合噪聲，這些噪聲會一直累加，當信號到達負載端的同時，遠端容性耦合噪聲也會到達遠端。假如源端激勵信號的邊沿是線性上升的，上升時間為 t，則遠端容性耦合噪聲波形為一個寬為 t 的矩形脈沖，脈沖幅度與耦合長度 L 成正比，與激勵信號的上升時間成反比。

近端容性耦合噪聲和干擾源信號的傳播方向相反，因此干擾源注入電流的交迭時間只有干擾源信號上升時間的一半，為 t/2。之后隨著干擾源向負載端的移動，會不斷地產(chǎn)生近端容性耦合噪聲向近端傳播，當干擾源信號到達負載端時，就不再有耦合噪聲出現(xiàn)，但被干擾對象網(wǎng)絡(luò)上的串擾脈沖會經(jīng)過 TD 時間從遠端傳回近端。因此近端容性耦合噪聲電壓先上升到一個恒定值并持續(xù)時間 2*TD，然后下降到 0。當耦合長度大于干擾源信號前沿的空間延伸時，近端容性耦合噪聲電壓的幅值與耦合長度無關(guān)，近端容性耦合噪聲波形的寬度與耦合長度成正比。

感性串擾

感性串擾是芯片中由于相鄰導(dǎo)線間的互感作用，使一根導(dǎo)線上的電流變化在另一根導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，進而對信號造成干擾的現(xiàn)象。當芯片中一根導(dǎo)線上有變化的電流通過時，會產(chǎn)生變化的磁場，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的磁場會在周圍的導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。相鄰導(dǎo)線處于該變化磁場中，就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，形成感性串擾。感性串擾與電流的變化率、導(dǎo)線間的互感系數(shù)等因素有關(guān)。電流變化率越大、互感系數(shù)越大，感性串擾越明顯。

由電流的連續(xù)性可知，近端感性耦合與遠端感性耦合噪聲的極性相反。感性串擾的遠端和近端的噪聲幅值與電流變化率、互感系數(shù)以及導(dǎo)線的特性等因素相關(guān)。在實際的芯片設(shè)計中，隨著芯片集成度的提高，導(dǎo)線的密度不斷增加，導(dǎo)線間的距離越來越小，這使得互感系數(shù)增大，感性串擾的影響也愈發(fā)顯著。例如，在一些高速處理器芯片中，由于內(nèi)部導(dǎo)線眾多且密集，感性串擾可能會導(dǎo)致信號的失真和誤判，從而影響芯片的運算速度和準確性。

輻射串擾

芯片輻射串擾是指芯片內(nèi)部或外部的電磁輻射，對芯片內(nèi)的信號傳輸線或器件產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象。其產(chǎn)生原因包括內(nèi)部輻射源和外部輻射源。

芯片內(nèi)的高速時鐘電路、高頻信號發(fā)生器等是主要輻射源，它們工作時會產(chǎn)生高頻電磁波。當這些電磁波的頻率較高且強度較大時，就可能會對周圍的信號線和器件產(chǎn)生輻射串擾。例如，芯片中的時鐘信號通常具有較高的頻率和快速的邊沿變化，這些特性使得時鐘電路成為一個強輻射源。如果時鐘電路的布局不合理，其產(chǎn)生的電磁輻射可能會干擾到附近的數(shù)據(jù)線或控制線，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤或系統(tǒng)工作異常。

芯片周圍的其他電子設(shè)備、電源線、無線信號等也可能成為外部輻射源。如果芯片的屏蔽措施不完善，外部的電磁輻射就容易進入芯片內(nèi)部，導(dǎo)致輻射串擾。在一些復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，多個芯片和電子元件緊密集成在一起，它們之間的電磁干擾相互影響。如果某個芯片受到來自外部設(shè)備的強電磁輻射，可能會導(dǎo)致芯片內(nèi)的信號傳輸受到干擾，進而影響整個系統(tǒng)的性能。

芯片中的串擾噪聲主要包括容性串擾、感性串擾和輻射串擾這三類。它們各自有著不同的產(chǎn)生機制和特點，在芯片的設(shè)計、制造和應(yīng)用過程中，都需要充分考慮這些串擾噪聲的影響，并采取相應(yīng)的措施來降低其干擾，以確保芯片能夠穩(wěn)定、可靠地工作。隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，對串擾噪聲的研究和控制也將變得越來越重要，這將有助于推動芯片性能的進一步提升，滿足不斷增長的電子設(shè)備需求。