穩(wěn)健的串?dāng)_設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

隨便問一位硬件設(shè)計(jì)人員：松散耦合的帶狀線對(duì)跟緊密耦合的帶狀線對(duì)，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。

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100 Ohms，線寬是7mils。改變差分對(duì)之間的耦合就會(huì)改變差分阻抗。差分對(duì)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(duì)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100 Ohm差分對(duì)的橫截面，緊耦合，松耦合，沒有耦合。

圖 1. 7 mils寬、 1/2 oz conductors、Dk =4的100 Ohm差分線的截面圖

耦合跟邊緣場(chǎng)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(duì)近端串?dāng)_敏感(接收端只受近端串?dāng)_的影響)。如圖2所示。

圖 2. 在帶狀線中, 當(dāng)RX和TX干擾源交叉時(shí)，僅有近端串?dāng)_而且 RX只對(duì)近端串?dāng)_敏感.

在帶狀線中，兩對(duì)差分對(duì)之間的電磁場(chǎng)邊緣耦合會(huì)引起近端串?dāng)_。兩對(duì)差分對(duì)之間，邊緣場(chǎng)越強(qiáng)烈，串?dāng)_越大。疊層結(jié)構(gòu)，除了控制差分對(duì)的差分阻抗外，也能限制邊緣場(chǎng)并影響通道間的串?dāng)_。

返回層之間的空間越大，邊緣場(chǎng)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(zhǎng)的主要因素，而不是兩線間的耦合。

對(duì)緊密耦合的一對(duì)帶狀差分線，為了達(dá)到100 0hm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(duì)之間的線寬加倍，如果阻抗仍然要求為100 Ohm,介質(zhì)厚度應(yīng)該減少到17mils。

松散耦合的差分對(duì)由于層間距更小(相比于緊耦合)，減少了邊緣場(chǎng)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。

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(hào)指的是在接收端看到的信號(hào)，不采用均衡，接收端通道中的信號(hào)會(huì)小到-10dB，在高衰減的通道中，接收端通道中的信號(hào)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20 dB。

對(duì)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， -30 dB的通道間串?dāng)_是可以接受的底限;在高衰減的通道中，-45 dB 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(chǎng)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)100 Ohm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(duì)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100 Ohm即可。

隨著差分對(duì)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(duì)之間近端串?dāng)_的情況。

圖 3. 模擬的不同耦合方式下的近端差分串?dāng)_

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-30 dB和-45 dB的串?dāng)_要求。

在一個(gè)沒有均衡技術(shù)的路徑中，信號(hào)可以(衰減)到-10 dB。我們要求不超過-30 dB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-36 dB.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(duì)于一個(gè)緊密耦合差分對(duì)來說應(yīng)該大于1.5倍線寬，對(duì)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(hào)(衰減)可以低至-25 dB，最大可接受的通道間串?dāng)_必須小于-45 dB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-50 dB。

從以上的設(shè)計(jì)曲線來看，針對(duì)小于-50 dB近端串?dāng)_的合理設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)緊密耦合差分對(duì)是保持通道間間距>4倍線寬，而對(duì)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)。