影响串扰的因素

前面讲了串扰的分类和饱和长度,以及其对信号的影响,那么影响串扰的因素有哪些?

线间距

近端串扰,线间距越大,不管是表层走线还是内层走线,串扰越小。

远端串扰,线间距越大,串扰越小。

在实际产品的设计中,相对于串行信号,DDR并行信号是需要更多关注线间距影响串扰

介质厚度和介电常数

介质厚度

通过相关的仿真,先量化一下介质厚度对互容互感的影响。

介质厚度为3mil:

介质厚度为6mil:

仿真结果说明:介质厚度变大,互容和互感变大,就本例数据来说,互容:0.00992-->0.08674,互感:0.01015-->0.19291。

说完介质厚度对互容互感的影响,还可以通过仿真来量化串扰的噪声幅度。为了便于比较,介质厚度取值为3mil,6mil,9mil,其他参数保持一致,修改阻抗值,保证入射电压的相同,只关注介质厚度对串扰的影响。

仿真得出相关的结果如下:

近端串扰--微带线

近端串扰--带状线

远端串扰--微带线

近端串扰和远端串扰的仿真结果说明,介质厚度越大,串扰越大。所以产品的设计中,尽量使用薄介质。介质厚度和阻抗成正比,线宽和阻抗成反比。介质厚度变薄,为了保证阻抗,就需要将信号线变细。

常规工艺的线宽一般控制在≥2.5mil,介质的厚度一般控制在≥2mil。一般成熟的产品设计板厚是固定的,比如1.6mm,2.0mm 等,信号层和电源层数也是相对固定的,在这种情况下介质厚度也是相对比较固定的,所以,介质厚度对串扰是有影响,但可调的空间不大。

介电常数Er

将介质常数取值为3.3和4.5,其他参数保持一致,修改阻抗值,保证入射电压的相同,只是比较介质常数对串扰的影响。

需要说明的是,这里介电常数取值3.3和4.5是基于常见的不同等级材料的数值。比如M6等级材料的介电常数,最小值在3.3左右。如下图:

FR4等级材料的介电常数,最大值在4.5左右,如下图:

相关仿真的波形与数据如下:

微带线

带状线

仿真的结果说明,介电常数对串扰的影响比较小。微带线差别在0.001mv,带状线的串扰是相等的。

之所以把介质厚度和介电常数放在一起作为串扰的影响因素,是因为在产品的叠层设计中,这两者是相互影响的。介电常数和阻抗成反比,介质厚度和阻抗成正比,板材好的材料相对介电常数就会小,阻抗变大,为了保证阻抗不变,介质厚度就要变小,串扰变小。

耦合区域长度

关于耦合长度,不管是近端串扰还是远端串扰,需要注意是否饱和的情况:

  • 未饱和时,耦合长度越长,串扰越大
  • 饱和时,耦合长度与串扰无关

还要注意的是,近端串扰很容易饱和,远端串扰不容易饱和。

上升边时间

近端串扰

  • 未饱和时,上升边越小,串扰越大
  • 饱和时,上升边时间与串扰无关

远端串扰

上升边越小,串扰越大,针对的是微带线情况。

减小串扰的措施

增大信号之间的间距,常见的就是3W或者3H,高速信号常见就是5H或者7H

减小耦合区域长度,未饱和时,串扰噪声与耦合长度成比例,产品的设计规范会明确并行长度范围来控制耦合

尽量选择带状线,带状线介质材料相对均匀,串扰管控相对比较容易

连接器或封装设计减少公共返回GND引脚

介质厚度尽量薄,也就是尽量靠近返回平面

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