Abstand von Differenzpaaren und Übersprechen im PCB-Design

Übersprechen ist ein grundlegender Aspekt der Signalintegrität, sowohl bei einseitigen als auch bei differentiellen Leiterbahnen. Der Abstand zwischen Signalleitungen bei jeder Routing-Konfiguration wird anhand typischer Faustregeln definiert, die leicht als Designregeln in Ihrer PCB-Designsoftware festgelegt werden können. Eine Faustregel für die Definition des Abstands zwischen differentiellen Paaren ist die „5S“-Regel, die manchmal in Anwendungshinweisen und anderen PCB-Designrichtlinien als „5W“-Regel bezeichnet wird.

Die 5S-Regel besagt, dass der Abstand zwischen zwei Leitungen eines differentiellen Paares das Fünffache der Breite jeder Leitung im Paar betragen sollte. Wenn eine dichte Verlegung für mehrere differentielle Paare erforderlich ist, wird das Übersprechen zwischen differentiellen Paaren zu einer wichtigen Überlegung, und wir benötigen eine Möglichkeit, den Abstand zwischen mehreren Paaren zu analysieren. Wie sich herausstellt, ist dies eine Funktion der Höhe der Paare zur nächsten Masseebene. Lassen Sie uns tiefer eintauchen und sehen, wie wir den richtigen Abstand zwischen differentiellen Paaren bestimmen können, um differentielles Übersprechen zu verhindern.

Was ist differentielles Übersprechen?

Wie der Name schon sagt, ist das differentielle Übersprechen das differentielle Analogon zum einseitigen Übersprechen und bezieht sich auf Formen des Übersprechens zwischen differentiellen Paaren oder auf das Übersprechen, das auf einer einseitigen Leiterbahn durch ein differentielles Paar erzeugt wird. Die beiden Arten von Übersprechen, die zwischen einseitigen Paaren gefunden werden (NEXT und FEXT), treten auch zwischen differentiellen Paaren auf. Starkes differentielles Übersprechen kann kapazitiv und induktiv induziert werden, abhängig von der Frequenz und der Geometrie der Struktur.

Das gesamte Feld, das in einiger seitlicher Entfernung vom Paar gesehen wird, ist die Summe der Felder der beiden Paare. Da die beiden Enden eines differentiellen Paares einen gewissen Abstand zueinander haben, ist das gesamte Feld, das in einiger seitlicher Entfernung vom differentiellen Paar gesehen wird, nicht gleich null. Darüber hinaus ist die Stärke des elektromagnetischen Feldes weiter weg von den beiden Leiterbahnen größer, wenn die beiden differentiellen Paare einen größeren Abstand zueinander haben.

Dies motiviert dazu, eine Regel zu formulieren, die verwendet wird, um den Abstand zwischen zwei differentiellen Paaren zu definieren. Aus der obigen Diskussion und einfach durch das Wissen, dass die Feldstärke abnimmt, je weiter man sich vom Paar entfernt, würde man natürlich die folgenden Layout-Anforderungen für differentielle Paare formulieren:

• Der Abstand zwischen zwei differentiellen Paaren sollte proportional zum Abstand zwischen jeder Leiterbahn im Paar sein.
• Der Abstand zwischen zwei differentiellen Paaren sollte in gewisser Weise proportional zum Abstand zwischen jedem Paar und seiner Referenzebene sein (falls eine vorhanden ist).

Lassen Sie uns die folgende Geometrie für zwei differentielle Paare betrachten und das differentielle Übersprechen zwischen diesen bestimmen. Sie denken wahrscheinlich, dass der ganze Sinn von differentiellen Paaren in der Unterdrückung von Rauschen liegt; während dies für das gemeinsame Modus-Rauschen zutrifft, wird der Unterschied in der Feldstärke zwischen den beiden Leiterbahnen im Opferpaar unterschiedliche Rauschpegel in jedem Paar erzeugen, die als differentielles Modus-Rauschen am Empfänger erscheinen.

Unter Verwendung der oben gezeigten Abstandsparameter für differentielle Paare gibt es zwei Ansätze, um das differentielle Übersprechen zu quantifizieren:

• Ein Modell basierend auf der Feldstärke

Berechnung der Stärke des differentiellen Übersprechens in einem First-Order-Modell

In der oben geführten Diskussion wurde ein weiterer Aspekt nicht berücksichtigt: die Höhe der Leiterbahn über ihrer Referenzebene und die genaue Anordnung der Leiterbahnen im Paar. Ähnliche Überlegungen könnten auch für Streifenleitungs-Differentialpaare angestellt werden. Hier möchten wir die Stärke des differentiellen Übersprechens als Funktion der Geometrie quantifizieren. Der hier gezeigte Ansatz folgt eng dem Ansatz, der von Doug Brooks gezeigt wurde. Dies wird normalerweise durch Definieren eines Übersprech-Koeffizienten aus einem Schaltungsmodell gemacht. Das Problem bei diesen Modellen ist, dass sie nicht die Feldstärke an der betroffenen Leiterbahn als Funktion des Abstands zwischen Aggressor und Opfer berücksichtigen.

Im oben genannten Modell können wir einen Übersprech-Koeffizienten C als Funktion des Leiterbahnabstands S und der Höhe über der Referenzebene H definieren. Es ist praktisch, den Übersprech-Koeffizienten als Funktion des Verhältnisses (S/H) zu definieren. In diesem Fall ist der einseitige Übersprech-Koeffizient zwischen zwei Leiterbahnen, die durch einen Abstand S mit entgegengesetzter Polarität getrennt sind:

Hier ist k eine Proportionalitätskonstante, die mit der Anstiegszeit des Signals auf der Aggressor-Leitung, der Übertragungsfunktion der Opferleitung und der Dielektrizitätskonstante des Substrats zusammenhängt. Jemand, der einen Kurs in Elektromagnetik besucht hat, wird wissen, dass dieses Modell auf der elektrischen Feldstärke um einen Draht über einer leitenden Ebene basiert. Wie wir bald sehen werden, kann der Wert von C verwendet werden, um das Verhältnis von gemeinsamem Modus zu differentiellem Übersprechenrauschen zu definieren, das auf der Opferspur für ein gegebenes Verhältnis (S/H) erzeugt wird. Der differentielle Empfänger wird das gemeinsame Modusrauschen eliminieren, daher möchten wir das differentielle Modusrauschen minimieren.

Das differentielle Übersprechen wird definiert, indem Summen und Unterschiede in den Übersprechkoeffizienten berechnet werden. Für die oben gezeigte Anordnung ist das Übersprechen zwischen einem differentiellen Paar und einer Spur im Opferpaar einfach die Summe ihrer Koeffizienten. Beachten Sie, dass für jeden Abstandswert des differentiellen Paares einfach die Skalentransformation S → S(1+x) vorgenommen wird. Das differentielle Übersprechen ist einfach der Unterschied in den Übersprechkoeffizienten für die Opferspuren:

Wenn wir dies als Funktion von x für verschiedene Werte von (S/H) darstellen, finden wir, dass der Abstand zwischen zwei Paaren verringert werden kann, wenn die Leiterbahnen näher an einer Masseebene liegen. Das Bild unten zeigt eine solche Darstellung für k = 1; eine Erhöhung von k verschiebt diese Kurven einfach nach oben auf der y-Achse. Dies wird gemacht, um eine bestimmte Anforderung an den differentiellen Übersprechen zu erfüllen. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie benötigen einen differentiellen Übersprech-Koeffizienten von 0,002; wenn die Leiterbahnen weiter von der nächsten Masseebene entfernt sind, dann ist ein größerer Abstand erforderlich, um sicherzustellen, dass Sie dieses Designziel erreichen.

Außerdem schauen Sie, was passiert, wenn (S/H) = 0,5; der maximale Übersprech-Koeffizient tritt nicht immer auf, wenn x = 0. Abhängig von Ihrem Designziel könnten Sie die Leiterbahnen näher zusammenlegen und das gleiche Niveau an differentiellem Übersprechen sehen, wie wenn die Leiterbahnen weiter auseinander liegen.

Sie fragen sich vielleicht: Was ist mit der Leiterbahnbreite? Die Leiterbahnbreite ist wichtig, da sie die einseitige und differentielle Impedanz, Kapazität und Induktivität bestimmt. Für eine gegebene differentielle Impedanzspezifikation führt eine Änderung des Abstands der Differentialpaare und der Substratdicke zu einer Änderung der Leiterbahnbreite, um denselben Wert der ungeraden Modusimpedanz beizubehalten.

Schließlich sollten Sie beachten, dass ein wichtiger Parameter im obigen Modell fehlt: die Dielektrizitätskonstante. Ich habe in anderen Simulationen und Videos gezeigt, dass der Wert der Dielektrizitätskonstante auch für die Beeinflussung des differentiellen Übersprechens wichtig ist, und dies ist einer der Gründe, warum Designs mit höherer Geschwindigkeit in einigen Schichten für niedrigere Dk-Werte optieren. Um die Auswirkungen des Dk-Wertes auf differentielles Übersprechen zu sehen, könnten Sie versuchen, den Dk-Wert wieder in das obige Übersprechkoeffizientenmodell einzufügen, oder Sie müssten sich die S-Parameter für eine Verbindung ansehen, wie sie aus einem elektromagnetischen Feldlöser berechnet werden.

Multi-Port S-Parameter für differentielles Übersprechen

Wenn Sie einen Feldlöser verwenden, um differentielle Übersprechen zu berechnen, werden Sie Zeitbereichsergebnisse (die eingegebene Pulse in die betroffene Verbindung zeigen) und S-Parameter nutzen, um breitbandiges differentielles Übersprechen zu quantifizieren. Ersteres ist ein Standard-Simulationsansatz, der in Altium Designer für einseitige Leiterbahnen implementiert ist, jedoch nicht für differentielle Leiterbahnen. Letzteres kann nur mit einem elektromagnetischen Feldlöser berechnet werden.

In den untenstehenden Simulationsergebnissen zeige ich eine Reihe von S-Parameter-Kurven, die mit Simbeor für zwei kommerzielle Laminate (Megtron 7 und Megtron 8) auf dünnen Schichten extrahiert wurden. Der Abstand innerhalb des Paares wurde gleich der Breite der Leiterbahnen im Paar gesetzt (S = W). Der Kanten-zu-Kanten-Abstand zwischen den Paaren wurde mit 1W, 2W und 3W variiert. Die Dicke des Dielektrikums wurde ebenfalls zwischen 1,5 mil und 3 mil variiert.

Megtron 7 Ergebnisse

Megtron 8 Ergebnisse

Die Ergebnisse sollten sehr interessant sein, da sie veranschaulichen, dass das einfache Näherbringen des Masseanschlusses an die differentiellen Paare und das Beibehalten des gleichen 1W usw. Kantenabstands zwischen den differentiellen Paaren nicht automatisch das Übersprechen reduziert. Dies liegt daran, dass das Beibehalten von 1W den Abstand von Paar zu Paar erheblich verringert. Wenn man jedoch von einer Dicke von 1W/3 Mil zu 2W/1,5 Mil wechselt, wird das Übersprechen dennoch reduziert und es entsteht eine höhere Dichteroutung. Genau das würden wir anstreben, wenn wir eine HDI-Platine mit vielen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, die vom Hauptprozessor kommen, entwickeln würden. 

Wir können dies anhand einer einfachen Berechnung mit der Leiterbahnbreite/-abstand im Paar und den Werten für den Abstand zwischen den Paaren für die 3 Mil und 1,5 Mil Laminate sehen.

• 3 Mil Meg7 bei 1W Abstand, S/H = 0,75 und S = 2,249 Mil
  • Anfängliches Xtalk = 10,84%
• 1,5 Mil Meg7 bei 2W Abstand, S/H = 0,51 und S = 0,765 Mil
  • Anfängliches Xtalk = 6,82%

Das bedeutet, dass die Dichte immer noch um 63% zunahm, selbst wenn der Abstand zwischen den Differentialpaaren auf 2W erhöht wurde. Wenn wir den Abstand zwischen den Paaren auf 3W erhöhen würden, hätten wir immer noch einen großen Anstieg der Routingdichte.

Es gibt hier einen weiteren sehr wichtigen Effekt, den ich in den oben genannten Daten hervorgehoben habe: Bandbreitenbegrenzung. Die oben definierte Bandbreitenbegrenzung zeigt sich im Rückverlustdiagramm für die Verbindungen; wenn der Rückverlust -10 dB erreicht, wird das als Bandbreitenlimit für den Kanal definiert. Wir können sehen, dass in allen oben genannten Fällen der Effekt der Bandbreitenbegrenzung in den Kanälen durch den Übergang zu einem niedrigeren Dk-Wert reduziert wird. Der Grund, warum das funktioniert, ist einfach: Es zwingt Sie dazu, eine breitere Leiterbahnbreite zu verwenden, was den induktiven Beitrag zur Impedanz verringert und den reaktiven Teil der Impedanz der Übertragungsleitung reduziert.

Vollständige Mixed-Mode-S-Parameter für zwei Differentialpaare

In einigen Fällen möchten Sie das Niveau des gemeinsamen Modus-Rauschens kennen, das in einem Differentialpaar aufgrund eines Eingangsdifferenzsignals auf dem angreifenden Paar erzeugt wird. Dies kann unter Verwendung von gemischten Modus-S-Parametern für unser oben aufgeführtes 4-Port-Netzwerk berechnet werden. Dies erweitert die Anzahl der Ports in der S-Parameter-Matrix auf ein 8-Port-Netzwerk, obwohl nur 4 dieser Ports physische Ein- und Ausgänge sind. Diese Art von S-Parameter-Set in Differentialkanälen wird als gemischte Modus-S-Parameter bezeichnet und beschreibt Modusumwandlung in einem einzelnen Differentialpaar und zwischen zwei Differentialpaaren.

Die vollständige S-Parameter-Matrix für ein Differentialpaar, die gemeinsame Modus- und Differentialmodussignale berücksichtigt, ist eine 8x8-Matrix in der unten gezeigten Form:

Dies sind viele Begriffe, die in einer Simulation berechnet werden müssen! Die heutigen Feldlöser in EDA-Tools können dies berechnen, indem sie das in einem Opfer-Differentialpaar induzierte Signal untersuchen, indem sie die Beiträge von jedem der einzelnen Leiterbahnen im angreifenden Differentialpaar berechnen. Die oben beschriebene Matrix beschreibt sowohl FEXT als auch NEXT neben der Modusumwandlung (zum Beispiel FEXT, gesehen als gemeinsamer Modus, wenn durch ein Eingangsdifferenzsignal angeregt). 

Die Moral von der Geschicht' ist folgende:

• Differentielle Übersprechen erzeugt differentiellen Modus-Rauschen und gemeinsamen Modus-Rauschen auf dem betroffenen Paar
• In einigen Fällen könnte die Minimierung von Rauschen im gemeinsamen Modus wichtiger für EMC-Zwecke sein
  • Das Vergrößern des Abstands zwischen differentiellen Paaren im betroffenen Paar ist am effektivsten, um sicherzustellen, dass das Übersprechen dominant im differentiellen Modus ist
• In einigen Fällen könnte die Minimierung von Rauschen im differentiellen Modus wichtiger für ISI-Zwecke sein
  • Das Verringern des Abstands zwischen differentiellen Paaren im betroffenen Paar ist am effektivsten, um sicherzustellen, dass das Übersprechen dominant im gemeinsamen Modus ist

Sie können alle Leiterbahnabstands-Anforderungen, die Sie ableiten, als Designregeln festlegen, wenn Sie mit Altium Designer® arbeiten. Dies wird Ihnen helfen, Ihre Verdrahtung für niedriges gemeinsames Modus- und differentielles Übersprechen über Ihr gesamtes Board zu optimieren. Der Stackup-Manager ermöglicht es Ihnen auch, Ihren Lagenstapel aus einer Reihe von Standardmaterialien zu entwerfen, um die Signalintegrität und die Leistungsintegrität zu gewährleisten.

Jetzt können Sie eine kostenlose Testversion von Altium Designer herunterladen und mehr über die branchenführenden Layout-, Simulations- und Produktionsplanungswerkzeuge erfahren. Sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten, um mehr zu erfahren.