建立穩(wěn)健的設(shè)計(jì)原則:
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完美的串?dāng)_設(shè)計(jì)原則,讓你產(chǎn)品質(zhì)量高枕無憂
發(fā)布時(shí)間:2015-01-30 責(zé)任編輯:sherryyu
【導(dǎo)讀】隨便問一位硬件設(shè)計(jì)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(huì)帶來更少的通道間差分串?dāng)_。99%的人會(huì)選擇后者。但他們錯(cuò)了。遵守什么樣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,可以保證你的產(chǎn)品質(zhì)量高枕無憂呢?
目標(biāo)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(lián)設(shè)計(jì)的主要因素。不論介質(zhì)損耗有多小,導(dǎo)體損耗仍然是主導(dǎo)地位。影響導(dǎo)體損耗的唯一設(shè)計(jì)因素是介質(zhì)寬度。
這意味著在高速數(shù)據(jù)通道中,應(yīng)盡一切可能使用可用的最寬的線。大多數(shù)高密度多層板上,在互連線密度或者主板總厚度尚未達(dá)到可用的限制時(shí),最大可用線寬約為7mils。
如果目標(biāo)差分阻抗是100Ohms,線寬是7mils。改變差分對之間的耦合就會(huì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,為了彌補(bǔ)這種情況(差分對之間靠近而阻抗值變小),電介質(zhì)層的厚度則會(huì)相應(yīng)的增加。
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(jié)構(gòu)中,沒有遠(yuǎn)端串?dāng)_。當(dāng)TX跟RX在相鄰?fù)ǖ乐薪徊鏁r(shí),接收端只對近端串?dāng)_敏感(接收端只受近端串?dāng)_的影響)。如圖2所示。
在帶狀線中,兩對差分對之間的電磁場邊緣耦合會(huì)引起近端串?dāng)_。兩對差分對之間,邊緣場越強(qiáng)烈,串?dāng)_越大。疊層結(jié)構(gòu),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?dāng)_。
返回層之間的空間越大,邊緣場延伸到相鄰?fù)ǖ郎系木嚯x就越遠(yuǎn),通道間的串?dāng)_越強(qiáng)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(dá)到1000hm的阻抗,層與層之間的介質(zhì)厚度大約為26mils,線寬為7mil,半盎司銅,材質(zhì)的介電常數(shù)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(zhì)厚度應(yīng)該減少到17mils。
松散耦合的差分對由于層間距更?。ㄏ啾扔诰o耦合),減少了邊緣場效應(yīng)和串?dāng)_。這就是相比于疏耦合,緊密耦合會(huì)帶來更多通道間串?dāng)_的原因。
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建立穩(wěn)健的設(shè)計(jì)原則:
串?dāng)_多大是不能接受的?大部分Spec會(huì)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(huì)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?dāng)_,可以接受的信噪比為20dB。
對于串?dāng)_噪聲的可接受標(biāo)準(zhǔn),這里定義了兩種可接受的標(biāo)準(zhǔn)。在一個(gè)沒有應(yīng)用均衡技術(shù)的通道中,-30dB的通道間串?dāng)_是可以接受的底限;在高衰減的通道中,-45dB是可以接受的串?dāng)_底限。
帶狀線兩通道之間的近端串?dāng)_取決于通道間的間距大小。通過一個(gè)2D場程序,我們可以找到設(shè)計(jì)方案來建立robust設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,保證近端串?dāng)_低于最大允許值。
綜合各種情況,為了設(shè)計(jì)100Ohm的差分阻抗,線寬固定為7mil,鋪銅為1/2盎司,介質(zhì)的介電常數(shù)為4.三種耦合方式:緊耦合,疏耦合,不耦合,對應(yīng)的線寬分別為1倍,2倍,3倍線寬。
如果根據(jù)并聯(lián)線線寬來設(shè)計(jì)合理的線間距,我們可以設(shè)計(jì)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?dāng)_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?dāng)_的情況。
上面一幅圖幫助我們明確了robust設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,來保證滿足-30dB和-45dB的串?dāng)_要求。
在一個(gè)沒有均衡技術(shù)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?dāng)_。當(dāng)然,如果通道兩端都受到其他通道的干擾,通道間的串?dāng)_應(yīng)該會(huì)低于1.5%或者-36dB.這樣他們的總功率會(huì)低于3%。
為了使近端差分串?dāng)_不超過1.5%,通道間的空間要求,對于一個(gè)緊密耦合差分對來說應(yīng)該大于1.5倍線寬,對于松散耦合來說,應(yīng)該大于1倍線寬。
在一個(gè)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?dāng)_必須小于-45dB或0.5%。在最壞的情況下,當(dāng)傳輸線路兩端都有干擾源存在時(shí),可接受的最大通道間串?dāng)_為-0.25%,或約-50dB。
從以上的設(shè)計(jì)曲線來看,針對小于-50dB近端串?dāng)_的合理設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則,可以保證你的產(chǎn)品質(zhì)量高枕無憂。但如果通道間的空間比以上數(shù)值更小,并不意味著你的產(chǎn)品不能工作,只是你最好通過自己的分析來減小失敗的風(fēng)險(xiǎn)。
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