Расстояние между дифференциальными парами и перекрестные помехи в проектировании печатных плат

Перекрестные помехи являются фундаментальным аспектом целостности сигнала как в однопроводных, так и в дифференциальных трассах. Расстояние между сигнальными линиями при каждой конфигурации трассировки определяется с использованием типичных эмпирических правил, которые легко можно задать как правила проектирования в вашем программном обеспечении для проектирования печатных плат. Одно из эмпирических правил для определения расстояния между дифференциальными парами - это правило "5S", иногда называемое правилом "5W" в прикладных заметках и других руководствах по проектированию печатных плат.

Правило 5S гласит, что расстояние между двумя линиями дифференциальной пары должно быть в 5 раз больше ширины каждой трассы в паре. Когда требуется плотная трассировка для нескольких дифференциальных пар, перекрестные помехи между дифференциальными парами становятся важным фактором, и нам нужен способ анализа расстояния между дифференциальными парами. Как оказывается, это функция высоты пар относительно ближайшей земляной плоскости. Давайте более подробно рассмотрим этот вопрос и узнаем, как мы можем определить правильное расстояние между дифференциальными парами, чтобы предотвратить дифференциальные перекрестные помехи.

Что такое дифференциальные перекрестные помехи?

Как следует из названия, дифференциальный перекрестный помехи является аналогом однопроводного перекрестного помехи в дифференциальном режиме, относясь к формам перекрестных помех между дифференциальными парами или к перекрестным помехам, генерируемым на однопроводной дорожке дифференциальной парой. Два типа перекрестных помех, обнаруженных между однопроводными парами (NEXT и FEXT), также встречаются между дифференциальными парами. Сильные дифференциальные перекрестные помехи могут быть индуцированы как емкостным, так и индуктивным путем, в зависимости от частоты и геометрии структуры.

Общее поле, наблюдаемое на некотором боковом расстоянии от пары, является суммой полей от двух пар. Поскольку между двумя концами дифференциальной пары есть некоторое расстояние, общее поле, наблюдаемое на некотором боковом расстоянии от дифференциальной пары, не равно нулю. Более того, сила электромагнитного поля вдали от двух дорожек больше, когда расстояние между двумя дифференциальными парами больше.

Это побуждает к формулировке некоторого правила, которое используется для определения расстояния между дифференциальными парами. Исходя из вышеизложенного обсуждения, и просто зная, что сила поля уменьшается по мере удаления от пары, естественно сформулировать следующие требования к размещению дифференциальных пар:

• Расстояние между двумя дифференциальными парами должно быть пропорционально расстоянию между каждой дорожкой в паре.
• Расстояние между двумя дифференциальными парами должно быть в некотором отношении пропорционально расстоянию между каждой парой и ее опорной плоскостью (если таковая присутствует).

Давайте рассмотрим следующую геометрию для двух дифференциальных пар и определим дифференциальное перекрестное воздействие между ними. Вероятно, вы думаете, что вся суть дифференциальных пар заключается в подавлении шумов; хотя это и верно для общего режима шума, разница в силе поля между двумя дорожками в паре-жертве будет производить разные уровни шума в каждой паре, проявляясь как шум дифференциального режима на приемнике.

Используя параметры расстояния между дифференциальными парами, показанные выше, можно использовать два подхода для количественной оценки дифференциального перекрестного воздействия:

• Модель, основанная на силе поля

Расчет силы дифференциального перекрестного воздействия в модели первого порядка

В вышеупомянутом обсуждении не был рассмотрен еще один аспект: высота следа над его опорной плоскостью и точное расположение следов в паре. Подобные соображения могут быть применены и к дифференциальным парам в стриплайне. Здесь мы хотели бы количественно оценить силу дифференциальной перекрестной помехи как функцию геометрии. Подход, представленный здесь, тесно следует подходу, показанному Дагом Бруксом. Обычно это делается путем определения коэффициента перекрестной помехи из модели цепи. Проблема с этими моделями заключается в том, что они не учитывают силу поля на пострадавшем следе как функцию расстояния между агрессором и жертвой.

В вышеуказанной модели мы можем определить коэффициент перекрестной помехи C как функцию расстояния между следами S и высоты над опорной плоскостью H. Удобно определять коэффициент перекрестной помехи как функцию отношения (S/H). В этом случае коэффициент односторонней перекрестной помехи между двумя следами, разделенными расстоянием S с противоположной полярностью, составляет:

Здесь k является коэффициентом пропорциональности, который связан с временем нарастания сигнала на агрессивной линии, функцией передачи пострадавшей линии и диэлектрической постоянной подложки. Тот, кто проходил курс электромагнетизма, знает, что эта модель основана на силе электрического поля вокруг провода над проводящей плоскостью. Как мы скоро увидим, значение C может быть использовано для определения соотношения общего режима к дифференциальному помеховому шуму, генерируемому на пострадавшем следе для данного соотношения (S/H). Дифференциальный приемник устранит шум общего режима, поэтому мы хотели бы минимизировать шум дифференциального режима.

Дифференциальная перекрестная помеха определяется путем вычисления сумм и разностей в коэффициентах перекрестных помех. Для показанной выше конфигурации перекрестная помеха между одной дифференциальной парой и одним следом в пострадавшей паре является просто суммой их коэффициентов. Заметьте, что для любого значения расстояния между дифференциальными парами, просто примените масштабное преобразование S → S(1+x). Дифференциальная перекрестная помеха является просто разностью коэффициентов перекрестных помех для пострадавших следов:

Если мы построим это как функцию от x для различных значений (S/H), мы обнаружим, что расстояние между двумя парами может быть уменьшено, когда дорожки расположены ближе к земляному слою. Ниже приведен такой график для k = 1; увеличение k просто перемещает эти кривые вверх по оси y. Это делается для удовлетворения определенного требования к дифференциальной перекрестной помехе. Например, предположим, что вам требуется коэффициент дифференциальной перекрестной помехи 0.002; если дорожки находятся дальше от ближайшего земляного слоя, тогда требуется большее расстояние, чтобы убедиться, что вы достигаете этой цели проектирования.

Также посмотрите, что происходит, когда (S/H) = 0.5; максимальный коэффициент перекрестной помехи не всегда возникает, когда x = 0. В зависимости от вашей цели проектирования, вы можете расположить дорожки ближе друг к другу и увидеть тот же уровень дифференциальной перекрестной помехи, как если бы дорожки были расположены дальше друг от друга.

Возможно, вы задаетесь вопросом: а что насчет ширины трассы? Ширина трассы важна, поскольку она определяет одиночный и дифференциальный импеданс, емкость и индуктивность. Для заданной спецификации дифференциального импеданса, изменение расстояния между парами дифференциальных трасс и толщины подложки заставляет изменять ширину трассы, чтобы поддерживать одинаковое значение импеданса нечетного режима.

Наконец, следует отметить, что в вышеупомянутой модели отсутствует важный параметр: диэлектрическая постоянная. Я показал в других симуляциях и видео, что значение диэлектрической постоянной также важно для влияния на дифференциальные перекрестные помехи, и это одна из причин, по которой конструкции высокой скорости выбирают материалы с более низкими значениями Dk в некоторых слоях. Чтобы увидеть влияние значения Dk на дифференциальные перекрестные помехи, вы могли бы попробовать вернуть значение Dk в вышеуказанную модель коэффициента перекрестных помех, или вам нужно было бы посмотреть на S-параметры для межсоединения, рассчитанные с помощью решателя электромагнитного поля.

Многопортовые S-параметры для дифференциальных перекрестных помех

Когда вы используете решатель полей для расчета дифференциальной перекрестной помехи, вы будете использовать результаты во временной области (показывающие импульсы, поданные на пострадавший соединитель) и S-параметры для количественной оценки широкополосной дифференциальной перекрестной помехи. Первый метод является стандартным подходом к моделированию, который реализован в Altium Designer для однонаправленных трасс, но не для дифференциальных трасс. Второй метод может быть рассчитан только с помощью решателя электромагнитных полей.

На симуляционных результатах ниже я показываю набор кривых S-параметров, полученных с помощью Simbeor для двух коммерческих ламинатов (Megtron 7 и Megtron 8) на тонких слоях. Внутрипарный интервал был установлен равным ширине трасс в паре (S = W). Расстояние между парами по краю варьировалось от 1W, 2W и 3W. Толщина диэлектрика также варьировалась от 1,5 до 3 мил.

Результаты Megtron 7

 Результаты Megtron 8

Результаты должны быть очень интересными, поскольку они показывают, что просто приближение земли к дифференциальным парам и сохранение того же краевого расстояния 1W и т. д. между дифференциальными парами не автоматически уменьшает перекрестные помехи. Это связано с тем, что сохранение 1W значительно уменьшает расстояние между парами. Однако переход от 1W/толщины 3 мил к 2W/толщине 1,5 мил всё же уменьшает перекрестные помехи и обеспечивает более высокую плотность трассировки. Это именно то, что нам нужно, если мы разрабатываем HDI-плату с большим количеством высокоскоростных интерфейсов, исходящих от основного процессора.

Мы можем увидеть это из простого расчета ширины трасс/расстояния в паре и значений расстояния между парами для ламинатов толщиной 3 мил и 1,5 мил.

• 3 мил Meg7 @ расстояние 1W, S/H = 0.75, и S = 2.249 мил
  • Изначально Xtalk = 10.84%
• 1.5 мил Meg7 @ расстояние 2W, S/H = 0.51, и S = 0.765 мил
  • Изначально Xtalk = 6.82%

Это означает, что плотность всё же увеличилась на 63%, даже при увеличении расстояния между парами до 2W. Если мы увеличим расстояние между парами до 3W, плотность трассировки всё равно значительно возрастет.

Здесь есть еще один очень важный эффект, который я подчеркнул в приведенных выше данных: ограничение полосы пропускания. Определённое выше ограничение полосы пропускания видно на графике обратных потерь для соединений; когда обратные потери достигают -10 дБ, это определяется как предел полосы пропускания для канала. Мы можем видеть, что во всех вышеперечисленных случаях эффект ограничения полосы пропускания в каналах уменьшается при переходе к более низкому значению Dk. Причина этого проста: это вынуждает использовать более широкую ширину трасс, что уменьшает индуктивный вклад в импеданс и снижает реактивную часть импеданса линии передачи.

Полные S-параметры в смешанном режиме для двух дифференциальных пар

В некоторых случаях необходимо знать уровень шума в общей моде, создаваемого в дифференциальной паре из-за входного дифференциального сигнала на паре-агрессоре. Это можно рассчитать с использованием S-параметров в смешанном режиме для нашей указанной выше 4-портовой сети. Это расширяет количество портов в матрице S-параметров до 8-портовой сети, хотя только 4 из этих портов являются физическими входами и выходами. Такой набор S-параметров в дифференциальных каналах называется S-параметрами в смешанном режиме и описывает преобразование режимов внутри одной дифференциальной пары и между двумя дифференциальными парами.

Полная матрица S-параметров для дифференциальной пары, учитывающая сигналы в общей и дифференциальной моде, представляет собой матрицу 8x8, форма которой показана ниже:

Это множество параметров для расчета в симуляции! Современные решатели полей в инструментах EDA могут выполнить этот расчет, анализируя сигнал, индуцированный в пострадавшей дифференциальной паре, путем вычисления вклада от каждой однонаправленной трассы в дифференциальной паре-агрессоре. Матрица выше описывает как FEXT, так и NEXT, наряду с преобразованием режимов (например, FEXT, видимый как общая мода при возбуждении входным дифференциальным сигналом).

Мораль этой истории такова:

• Дифференциальные перекрестные помехи создают шум в дифференциальном режиме и шум в общем режиме на пострадавшей паре
• В некоторых случаях минимизация шума в общем режиме может быть более важной для целей ЭМС
  • Увеличение расстояния между трассами в дифференциальной паре пострадавшей пары наиболее эффективно для обеспечения доминирования перекрестных помех в дифференциальном режиме
• В некоторых случаях минимизация шума в дифференциальном режиме может быть более важной для снижения ИСИ
  • Уменьшение расстояния между трассами в дифференциальной паре пострадавшей пары наиболее эффективно для обеспечения доминирования перекрестных помех в общем режиме

Вы можете определить любые требования к расстоянию между трассами, которые вы выводите, как правила проектирования при работе с Altium Designer®. Это поможет вам оптимизировать трассировку для низкого уровня перекрестных помех в общем и дифференциальном режиме по всей вашей плате. Менеджер стеков также позволяет проектировать стек слоев из широкого спектра стандартных материалов, что помогает обеспечить целостность сигналов и целостность питания.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для компоновки, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.