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确定差分信号线宽间距,选择紧耦合还是松耦合?


在设计初期,确定差分信号线宽间距时,我们会面对这么个选择:相同的阻抗管控,对应着不同的线宽间距,4mil/4mil,5mil/8mil...其中间距大的我们叫松耦合,间距小的就叫紧耦合。遇到这种情况我们该如何选择呢?如果我是设计工程师我就选紧耦合,因为占用的空间小啊,布线容易啊。本文就要分析一下松紧耦合的优缺点了,因为凡事有利就有弊呀。

首先从反射的角度来分析,反射最主要的切入点就是阻抗。耦合的松紧会影响传输线的各种阻抗参数,下表显示了介质厚度为3.8mil,介电系数为4.5,铜厚1.2mil时,差分阻抗保持在100欧姆,不同线间距对传输线阻抗的影响。其中Zquiet为当其中一条线保持静态,另一条线上单端信号感受到的阻抗,Zse为附近没有其他传输线时的单端阻抗。

品慧电子讯在设计初期,确定差分信号线宽间距时,我们会面对这么个选择:相同的阻抗管控,对应着不同的线宽间距,4mil/4mil,5mil/8mil...其中间距大的我们叫松耦合,间距小的就叫紧耦合。遇到这种情况我们该如何选择呢?如果我是设计工程师我就选紧耦合,因为占用的空间小啊,布线容易啊。本文就要分析一下松紧耦合的优缺点了,因为凡事有利就有弊呀。  首先从反射的角度来分析,反射最主要的切入点就是阻抗。耦合的松紧会影响传输线的各种阻抗参数,下表显示了介质厚度为3.8mil,介电系数为4.5,铜厚1.2mil时,差分阻抗保持在100欧姆,不同线间距对传输线阻抗的影响。其中Zquiet为当其中一条线保持静态,另一条线上单端信号感受到的阻抗,Zse为附近没有其他传输线时的单端阻抗。 1 从表中可以看到虽然差分阻抗都相同,但共模阻抗相差较大,耦合越紧共模阻抗越大,我们知道理想的共模端接是25欧姆,所以紧耦合的共模反射肯定要比松耦合大。还有信号出pin时,是从无耦合区域进入耦合区域,先感受到单根阻抗,再耦合阻抗,在这种情况下,紧耦合两部分阻抗差也比松耦合大,反射也会越严重。下面我们就仿真验证一下,我们用case1,case2,case4的线宽间距来搭建链路,无耦合区域长度为30mil,耦合区域为2000mil。 2 差分回波损耗对比(红:case1;蓝色:case2;玫红:case4): 3 共模回波损耗对比(红:case1;蓝色:case2;玫红:case4): 4 仿真结果证明了紧耦合的反射确实比松耦合严重哦。  再从串扰来分析一下。都说紧耦合抗干扰能力强,事实是否如此呢?同样用case1,case2,case4的线宽间距来搭建链路,攻击线是单根信号,距离差分对10mil,阻抗50ohm,加了上升沿是100ps的1v阶跃信号。 5 差分噪声(红:case1;蓝色:case2;玫红:case4): 6 嘢,仿真结果显示紧耦合的差分噪声确实要小些哦,那共模噪声呢?  共模噪声(红:case1;蓝色:case2;玫红:case4): 7 结果相反哦,松耦合抗共模噪声的能力更强些。为什么呢?耦合越紧,干扰源对两根信号的串扰就越接近,我们知道差分信号是两信号相减,串扰越接近的话抵消的就越多,得到的差分串扰就越小。但共模信号是两根信号串扰电压的平均值,是相加,所以紧耦合比之松耦合会加剧共模串扰。  另外松耦合的线宽较紧耦合宽,导体损耗相对小,在长距离的高速信号传输时一般都会建议采用5mil以上的线宽。  综合空间,反射,串扰和损耗等因素,对于走线很长的高速差分互连最好使用相对松耦合。

从表中可以看到虽然差分阻抗都相同,但共模阻抗相差较大,耦合越紧共模阻抗越大,我们知道理想的共模端接是25欧姆,所以紧耦合的共模反射肯定要比松耦合大。还有信号出pin时,是从无耦合区域进入耦合区域,先感受到单根阻抗,再耦合阻抗,在这种情况下,紧耦合两部分阻抗差也比松耦合大,反射也会越严重。下面我们就仿真验证一下,我们用case1,case2,case4的线宽间距来搭建链路,无耦合区域长度为30mil,耦合区域为2000mil。

仿真验证

差分回波损耗对比(红:case1;蓝色:case2;玫红:case4):

差分回波损耗对比



共模回波损耗对比(红:case1;蓝色:case2;玫红:case4):

共模回波损耗对比

仿真结果证明了紧耦合的反射确实比松耦合严重哦。再从串扰来分析一下。都说紧耦合抗干扰能力强,事实是否如此呢?同样用case1,case2,case4的线宽间距来搭建链路,攻击线是单根信号,距离差分对10mil,阻抗50ohm,加了上升沿是100ps的1v阶跃信号。

串扰来分析



差分噪声(红:case1;蓝色:case2;玫红:case4):

串扰来分析

嘢,仿真结果显示紧耦合的差分噪声确实要小些哦,那共模噪声呢?共模噪声(红:case1;蓝色:case2;玫红:case4):共模噪声

结果相反哦,松耦合抗共模噪声的能力更强些。为什么呢?耦合越紧,干扰源对两根信号的串扰就越接近,我们知道差分信号是两信号相减,串扰越接近的话抵消的就越多,得到的差分串扰就越小。但共模信号是两根信号串扰电压的平均值,是相加,所以紧耦合比之松耦合会加剧共模串扰。另外松耦合的线宽较紧耦合宽,导体损耗相对小,在长距离的高速信号传输时一般都会建议采用5mil以上的线宽。综合空间,反射,串扰和损耗等因素,对于走线很长的高速差分互连最好使用相对松耦合。

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