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確定差分信號線寬間距,選擇緊耦合還是松耦合?

發布時間:2015-02-06 來源:王萍 一博科技 責任編輯:sherryyu

【導讀】在設計初期,確定差分信號線寬間距時,我們會面對這么個選擇:相同的阻抗管控,對應著不同的線寬間距,4mil/4mil,5mil/8mil...其中間距大的我們叫松耦合,間距小的就叫緊耦合。遇到這種情況我們該如何選擇呢?如果我是設計工程師我就選緊耦合,因為占用的空間小啊,布線容易啊。本文就要分析一下松緊耦合的優缺點了,因為凡事有利就有弊呀。
 
首先從反射的角度來分析,反射最主要的切入點就是阻抗。耦合的松緊會影響傳輸線的各種阻抗參數,下表顯示了介質厚度為3.8mil,介電系數為4.5,銅厚1.2mil時,差分阻抗保持在100歐姆,不同線間距對傳輸線阻抗的影響。其中Zquiet為當其中一條線保持靜態,另一條線上單端信號感受到的阻抗,Zse為附近沒有其他傳輸線時的單端阻抗。
【導讀】在設計初期,確定差分信號線寬間距時,我們會面對這么個選擇:相同的阻抗管控,對應著不同的線寬間距,4mil/4mil,5mil/8mil...其中間距大的我們叫松耦合,間距小的就叫緊耦合。遇到這種情況我們該如何選擇呢?如果我是設計工程師我就選緊耦合,因為占用的空間小啊,布線容易啊。本文就要分析一下松緊耦合的優缺點了,因為凡事有利就有弊呀。  首先從反射的角度來分析,反射最主要的切入點就是阻抗。耦合的松緊會影響傳輸線的各種阻抗參數,下表顯示了介質厚度為3.8mil,介電系數為4.5,銅厚1.2mil時,差分阻抗保持在100歐姆,不同線間距對傳輸線阻抗的影響。其中Zquiet為當其中一條線保持靜態,另一條線上單端信號感受到的阻抗,Zse為附近沒有其他傳輸線時的單端阻抗。 1 從表中可以看到雖然差分阻抗都相同,但共模阻抗相差較大,耦合越緊共模阻抗越大,我們知道理想的共模端接是25歐姆,所以緊耦合的共模反射肯定要比松耦合大。還有信號出pin時,是從無耦合區域進入耦合區域,先感受到單根阻抗,再耦合阻抗,在這種情況下,緊耦合兩部分阻抗差也比松耦合大,反射也會越嚴重。下面我們就仿真驗證一下,我們用case1,case2,case4的線寬間距來搭建鏈路,無耦合區域長度為30mil,耦合區域為2000mil。 2 差分回波損耗對比(紅:case1;藍色:case2;玫紅:case4): 3 共模回波損耗對比(紅:case1;藍色:case2;玫紅:case4): 4 仿真結果證明了緊耦合的反射確實比松耦合嚴重哦。  再從串擾來分析一下。都說緊耦合抗干擾能力強,事實是否如此呢?同樣用case1,case2,case4的線寬間距來搭建鏈路,攻擊線是單根信號,距離差分對10mil,阻抗50ohm,加了上升沿是100ps的1v階躍信號。 5 差分噪聲(紅:case1;藍色:case2;玫紅:case4): 6 嘢,仿真結果顯示緊耦合的差分噪聲確實要小些哦,那共模噪聲呢?  共模噪聲(紅:case1;藍色:case2;玫紅:case4): 7 結果相反哦,松耦合抗共模噪聲的能力更強些。為什么呢?耦合越緊,干擾源對兩根信號的串擾就越接近,我們知道差分信號是兩信號相減,串擾越接近的話抵消的就越多,得到的差分串擾就越小。但共模信號是兩根信號串擾電壓的平均值,是相加,所以緊耦合比之松耦合會加劇共模串擾。  另外松耦合的線寬較緊耦合寬,導體損耗相對小,在長距離的高速信號傳輸時一般都會建議采用5mil以上的線寬。  綜合空間,反射,串擾和損耗等因素,對于走線很長的高速差分互連最好使用相對松耦合。
 
從表中可以看到雖然差分阻抗都相同,但共模阻抗相差較大,耦合越緊共模阻抗越大,我們知道理想的共模端接是25歐姆,所以緊耦合的共模反射肯定要比松耦合大。還有信號出pin時,是從無耦合區域進入耦合區域,先感受到單根阻抗,再耦合阻抗,在這種情況下,緊耦合兩部分阻抗差也比松耦合大,反射也會越嚴重。下面我們就仿真驗證一下,我們用case1,case2,case4的線寬間距來搭建鏈路,無耦合區域長度為30mil,耦合區域為2000mil。
仿真驗證
差分回波損耗對比(紅:case1;藍色:case2;玫紅:case4):
差分回波損耗對比
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共模回波損耗對比(紅:case1;藍色:case2;玫紅:case4):
共模回波損耗對比
仿真結果證明了緊耦合的反射確實比松耦合嚴重哦。
 
再從串擾來分析一下。都說緊耦合抗干擾能力強,事實是否如此呢?同樣用case1,case2,case4的線寬間距來搭建鏈路,攻擊線是單根信號,距離差分對10mil,阻抗50ohm,加了上升沿是100ps的1v階躍信號。
串擾來分析
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差分噪聲(紅:case1;藍色:case2;玫紅:case4):
串擾來分析
嘢,仿真結果顯示緊耦合的差分噪聲確實要小些哦,那共模噪聲呢?
 
共模噪聲(紅:case1;藍色:case2;玫紅:case4):
共模噪聲
結果相反哦,松耦合抗共模噪聲的能力更強些。為什么呢?耦合越緊,干擾源對兩根信號的串擾就越接近,我們知道差分信號是兩信號相減,串擾越接近的話抵消的就越多,得到的差分串擾就越小。但共模信號是兩根信號串擾電壓的平均值,是相加,所以緊耦合比之松耦合會加劇共模串擾。
 
另外松耦合的線寬較緊耦合寬,導體損耗相對小,在長距離的高速信號傳輸時一般都會建議采用5mil以上的線寬。
 
綜合空間,反射,串擾和損耗等因素,對于走線很長的高速差分互連最好使用相對松耦合。
 
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