稳健的串扰设计准则 多层板, 通道

我是MT

随便问一位硬件设计人员：松散耦合的带状线对跟紧密耦合的带状线对，哪一种会带来更少的通道间差分串扰。99%的人会选择后者。但他们错了。

目标阻抗和横切面

在超过10Gbps的高速串行连接中，损耗是影响互联设计的主要因素。不论介质损耗有多小，导体损耗仍然是主导地位。影响导体损耗的唯一设计因素是介质宽度。

这意味着在高速数据通道中，应尽一切可能使用可用的最宽的线。大多数高密度多层板上，在互连线密度或者主板总厚度尚未达到可用的限制时，最大可用线宽约为7mils。

如果目标差分阻抗是100 Ohms，线宽是7mils。改变差分对之间的耦合就会改变差分阻抗。差分对之间间距越小，差分阻抗就越小。 在带状线拓扑结构中，为了弥补这种情况（差分对之间靠近而阻抗值变小），电介质层的厚度则会相应的增加。

图一展示了三种不同耦合的100 Ohm差分对的横截面，紧耦合，松耦合，没有耦合。



图 1. 7 mils宽、 1/2 oz conductors、Dk =4的100 Ohm差分线的截面图

耦合跟边缘场分布

在带状线几何结构中，没有远端串扰。当TX跟RX在相邻通道中交叉时，接收端只对近端串扰敏感（接收端只受近端串扰的影响）。如图2所示。



图 2. 在带状线中, 当RX和TX干扰源交叉时，仅有近端串扰而且 RX只对近端串扰敏感.

在带状线中，两对差分对之间的电磁场边缘耦合会引起近端串扰。两对差分对之间，边缘场越强烈，串扰越大。叠层结构，除了控制差分对的差分阻抗外，也能限制边缘场并影响通道间的串扰。

返回层之间的空间越大，边缘场延伸到相邻通道上的距离就越远，通道间的串扰越强烈。层与层之间的空间是影响边缘长的主要因素，而不是两线间的耦合。

对紧密耦合的一对带状差分线，为了达到100 0hm的阻抗，层与层之间的介质厚度大约为26mils，线宽为7mil，半盎司铜，材质的介电常数为4。如果差分对之间的线宽加倍，如果阻抗仍然要求为100 Ohm,介质厚度应该减少到17mils。

松散耦合的差分对由于层间距更小（相比于紧耦合），减少了边缘场效应和串扰。这就是相比于疏耦合，紧密耦合会带来更多通道间串扰的原因。

建立稳健的设计原则：

串扰多大是不能接受的？大部分Spec会要求信噪比在20dB左右。这里所说的信号指的是在接收端看到的信号，不采用均衡，接收端通道中的信号会小到-10dB，在高衰减的通道中，接收端通道中的信号甚至小到-25dB,如果所有噪声只有通道间串扰，可以接受的信噪比为20 dB。

对于串扰噪声的可接受标准，这里定义了两种可接受的标准。在一个没有应用均衡技术的通道中， -30 dB的通道间串扰是可以接受的底限；在高衰减的通道中，-45 dB 是可以接受的串扰底限。

带状线两通道之间的近端串扰取决于通道间的间距大小。通过一个2D场程序，我们可以找到设计方案来建立robust设计准则，保证近端串扰低于最大允许值。

综合各种情况，为了设计100 Ohm的差分阻抗，线宽固定为7mil，铺铜为1/2盎司，介质的介电常数为4.三种耦合方式：紧耦合，疏耦合，不耦合，对应的线宽分别为1倍，2倍，3倍线宽。

如果根据并联线线宽来设计合理的线间距，我们可以设计不同的线宽值，只要能满足差分阻抗为100 Ohm即可。

随着差分对的间距加大，近端串扰将随着减小。图3模拟了三种不同差分耦合方式的情况下，差分对之间近端串扰的情况。



图 3. 模拟的不同耦合方式下的近端差分串扰

上面一幅图帮助我们明确了robust设计准则，来保证满足-30 dB和-45 dB的串扰要求。

在一个没有均衡技术的路径中，信号可以（衰减）到-10 dB。我们要求不超过-30 dB或者3%的通道间串扰。当然，如果通道两端都受到其他通道的干扰，通道间的串扰应该会低于1.5%或者-36 dB.这样他们的总功率会低于3%。

为了使近端差分串扰不超过1.5%，通道间的空间要求，对于一个紧密耦合差分对来说应该大于1.5倍线宽，对于松散耦合来说，应该大于1倍线宽。

在一个高损耗通道中，信号（衰减）可以低至-25 dB，最大可接受的通道间串扰必须小于-45 dB或0.5％。在最坏的情况下，当传输线路两端都有干扰源存在时，可接受的最大通道间串扰为-0.25％，或约-50 dB。

从以上的设计曲线来看，针对小于-50 dB近端串扰的合理设计准则，对紧密耦合差分对是保持通道间间距>4倍线宽，而对于松散耦合，是保持的通道间间距>3倍线宽。

遵守以上的设计准则，可以保证你的产品质量高枕无忧。但如果通道间的空间比以上数值更小，并不意味着你的产品不能工作，只是你最好通过自己的分析来减小失败的风险。