高速差分過孔之間的串擾分析

　　在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，通常我們關(guān)注的串擾主要發(fā)生在連接器、芯片封裝和間距比較近的平行走線之間。但在某些設(shè)計中，高速差分過孔之間也會產(chǎn)生較大的串擾，本文對高速差分過孔之間的產(chǎn)生串擾的情況提供了實例仿真分析和解決方法。

　　高速差分過孔間的串擾

　　對于板厚較厚的PCB來說，板厚有可能達到2.4mm或者3mm。以3mm的單板為例，此時一個通孔在PCB上Z方向的長度可以達到將近118mil。如果PCB上有0.8mm pitch的BGA的話，BGA器件的扇出過孔間距只有大約31.5mil。

　　如圖1所示，兩對相鄰差分過孔之間Z方向的并行長度H大于100mil，而兩對差分過孔在水平方向的間距S=31.5mil。在過孔之間Z方向的并行距離遠大于水平方向的間距時，就要考慮高速信號差分過孔之間的串擾問題。順便提一下，高速PCB設(shè)計的時候應(yīng)該盡可能最小化過孔stub的長度，以減少對信號的影響。如下圖所1示，靠近Bottom層走線這樣Stub會比較短。或者可以采用背鉆的方式。

　　圖1：高速差分過孔產(chǎn)生串擾的情況（H》100mil， S=31.5mil ）

　　差分過孔間串擾的仿真分析

　　下面是對一個板厚為3mm，0.8mm BGA扇出過孔pitch為31.5mil，過孔并行距離H=112mil的設(shè)計實例進行的仿真。

　　如圖2所示，我們根據(jù)走線將4對差分對定義成8個差分端口。

　　圖2：串擾仿真端口定義

　　假設(shè)差分端口D1—D4是芯片的接收端，我們通過觀察D5、D7、D8端口對D2端口的遠端串擾來分析相鄰?fù)ǖ赖拇當_情況。由圖3所示的結(jié)果我們可以看到距離較近的兩個通道，通道間的遠端串擾可以達到-37dB@5GHz和-32dB@10GHz，需要進一步優(yōu)化設(shè)計來減小串擾。

　　圖3：差分對間的串擾仿真結(jié)果

　　也許讀到這里您會產(chǎn)生疑問：如何判定是差分過孔引起的串擾而不是差分走線引起的串擾呢？

　　為了說明這個問題，我們將上述的實例分成BGA扇出區(qū)域和差分走線兩部分分別進行仿真。仿真結(jié)果如圖4所示：

　　圖4：BGA扇出區(qū)域和差分走線串擾仿真結(jié)果

　　從圖4右側(cè)的仿真結(jié)果可以看出差分走線間的串擾都在-50dB以下，在10GHz頻段下甚至達到了 -60dB以下。而BGA扇出區(qū)域的串擾和原來整體仿真的串擾數(shù)值比較接近。從圖4中的仿真結(jié)果我們可以得出在上述實例中差分過孔間的串擾起主要作用。

　　差分過孔間串擾的優(yōu)化

　　了解了此類問題產(chǎn)生串擾的根源，優(yōu)化差分過孔之間串擾的方法就比較明確了。增加差分過孔之間的間距是簡單易行并且十分有效的方法。我們在實例原設(shè)計的基礎(chǔ)上將差分過孔位置進行了優(yōu)化，使得每對差分過孔之間的間距大于75mil。從圖5所示的仿真結(jié)果以及表1的數(shù)據(jù)對比可以看出，優(yōu)化后的遠端串擾比原設(shè)計在15GHz頻帶內(nèi)有15~20dB的改善，在15~20GHz頻帶內(nèi)有10dB的改善。

　　圖5：優(yōu)化差分過孔間距后串擾仿真結(jié)果

　　5G10G15G20G

　　優(yōu)化前串擾（dB）-37.167-32.609-27.61-25.721

　　優(yōu)化后串擾（dB）-60.021-48.463-48.056-36.356

　　優(yōu)化效果（dB）22.85415.85420.44610.635

　　表1：優(yōu)化差分過孔間距前后串擾仿真數(shù)據(jù)對比

　　TI公司推出的應(yīng)用于25/28Gbps接口速率的DS280BR810芯片在PCB設(shè)計上可以使用這種降低串擾的扇出方法。DS280BR810是一個8通道28Gbps低功耗線性均衡器。