PCB電路的串?dāng)_設(shè)計(jì)原則分析

隨便問(wèn)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(lái)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(guò)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(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?。?，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(duì)的橫截面，緊耦合，松耦合，沒(méi)有耦合。

耦合跟邊緣場(chǎng)分布

在帶狀線幾何結(jié)構(gòu)中，沒(méi)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。

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(duì)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(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(lái)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(shuō)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20dB。

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(méi)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(guò)一個(gè)2D場(chǎng)程序，我們可以找到設(shè)計(jì)方案來(lái)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(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(lái)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(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。

上面一幅圖幫助我們明確了robust設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，來(lái)保證滿足-30dB和-45dB的串?dāng)_要求。

在一個(gè)沒(méi)有均衡技術(shù)的路徑中，信號(hào)可以（衰減）到-10dB。我們要求不超過(guò)-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(guò)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(lái)說(shuō)應(yīng)該大于1.5倍線寬，對(duì)于松散耦合來(lái)說(shuō)，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-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(lái)看，針對(duì)小于-50dB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(wú)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(guò)自己的分析來(lái)減小失敗的風(fēng)險(xiǎn)。