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完美的串擾設計原則,讓你產品質量高枕無憂

發布時間:2015-01-30 責任編輯:sherryyu

【導讀】隨便問一位硬件設計人員:松散耦合的帶狀線對跟緊密耦合的帶狀線對,哪一種會帶來更少的通道間差分串擾。99%的人會選擇后者。但他們錯了。遵守什么樣的設計準則,可以保證你的產品質量高枕無憂呢?
 
目標阻抗和橫切面
 
在超過10Gbps的高速串行連接中,損耗是影響互聯設計的主要因素。不論介質損耗有多小,導體損耗仍然是主導地位。影響導體損耗的唯一設計因素是介質寬度。
 
這意味著在高速數據通道中,應盡一切可能使用可用的最寬的線。大多數高密度多層板上,在互連線密度或者主板總厚度尚未達到可用的限制時,最大可用線寬約為7mils。
 
如果目標差分阻抗是100Ohms,線寬是7mils。改變差分對之間的耦合就會改變差分阻抗。差分對之間間距越小,差分阻抗就越小。在帶狀線拓撲結構中,為了彌補這種情況(差分對之間靠近而阻抗值變?。?,電介質層的厚度則會相應的增加。
展示了三種不同耦合的100Ohm差分對的橫截面,緊耦合,松耦合,沒有耦合
圖一展示了三種不同耦合的100Ohm差分對的橫截面,緊耦合,松耦合,沒有耦合。
 
耦合跟邊緣場分布
 
在帶狀線幾何結構中,沒有遠端串擾。當TX跟RX在相鄰通道中交叉時,接收端只對近端串擾敏感(接收端只受近端串擾的影響)。如圖2所示。
耦合跟邊緣場分布
在帶狀線中,兩對差分對之間的電磁場邊緣耦合會引起近端串擾。兩對差分對之間,邊緣場越強烈,串擾越大。疊層結構,除了控制差分對的差分阻抗外,也能限制邊緣場并影響通道間的串擾。
 
返回層之間的空間越大,邊緣場延伸到相鄰通道上的距離就越遠,通道間的串擾越強烈。層與層之間的空間是影響邊緣長的主要因素,而不是兩線間的耦合。
 
對緊密耦合的一對帶狀差分線,為了達到1000hm的阻抗,層與層之間的介質厚度大約為26mils,線寬為7mil,半盎司銅,材質的介電常數為4。如果差分對之間的線寬加倍,如果阻抗仍然要求為100Ohm,介質厚度應該減少到17mils。
 
松散耦合的差分對由于層間距更小(相比于緊耦合),減少了邊緣場效應和串擾。這就是相比于疏耦合,緊密耦合會帶來更多通道間串擾的原因。
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建立穩健的設計原則:
 
串擾多大是不能接受的?大部分Spec會要求信噪比在20dB左右。這里所說的信號指的是在接收端看到的信號,不采用均衡,接收端通道中的信號會小到-10dB,在高衰減的通道中,接收端通道中的信號甚至小到-25dB,如果所有噪聲只有通道間串擾,可以接受的信噪比為20dB。
 
對于串擾噪聲的可接受標準,這里定義了兩種可接受的標準。在一個沒有應用均衡技術的通道中,-30dB的通道間串擾是可以接受的底限;在高衰減的通道中,-45dB是可以接受的串擾底限。
 
帶狀線兩通道之間的近端串擾取決于通道間的間距大小。通過一個2D場程序,我們可以找到設計方案來建立robust設計準則,保證近端串擾低于最大允許值。
 
綜合各種情況,為了設計100Ohm的差分阻抗,線寬固定為7mil,鋪銅為1/2盎司,介質的介電常數為4.三種耦合方式:緊耦合,疏耦合,不耦合,對應的線寬分別為1倍,2倍,3倍線寬。
 
如果根據并聯線線寬來設計合理的線間距,我們可以設計不同的線寬值,只要能滿足差分阻抗為100Ohm即可。
 
隨著差分對的間距加大,近端串擾將隨著減小。圖3模擬了三種不同差分耦合方式的情況下,差分對之間近端串擾的情況。
模擬了三種不同差分耦合方式的情況下,差分對之間近端串擾的情況
上面一幅圖幫助我們明確了robust設計準則,來保證滿足-30dB和-45dB的串擾要求。
在一個沒有均衡技術的路徑中,信號可以(衰減)到-10dB。我們要求不超過-30dB或者3%的通道間串擾。當然,如果通道兩端都受到其他通道的干擾,通道間的串擾應該會低于1.5%或者-36dB.這樣他們的總功率會低于3%。
 
為了使近端差分串擾不超過1.5%,通道間的空間要求,對于一個緊密耦合差分對來說應該大于1.5倍線寬,對于松散耦合來說,應該大于1倍線寬。
 
在一個高損耗通道中,信號(衰減)可以低至-25dB,最大可接受的通道間串擾必須小于-45dB或0.5%。在最壞的情況下,當傳輸線路兩端都有干擾源存在時,可接受的最大通道間串擾為-0.25%,或約-50dB。
 
從以上的設計曲線來看,針對小于-50dB近端串擾的合理設計準則,對緊密耦合差分對是保持通道間間距>4倍線寬,而對于松散耦合,是保持的通道間間距>3倍線寬。
 
遵守以上的設計準則,可以保證你的產品質量高枕無憂。但如果通道間的空間比以上數值更小,并不意味著你的產品不能工作,只是你最好通過自己的分析來減小失敗的風險。
 
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