高速差分過孔之間的串?dāng)_分析

在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常我們關(guān)注的串?dāng)_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(jì)中，高速差分過孔之間也會(huì)產(chǎn)生較大的串?dāng)_，本文對(duì)高速差分過孔之間的產(chǎn)生串?dāng)_的情況提供了實(shí)例仿真分析和解決方法。

高速差分過孔間的串?dāng)_

對(duì)于板厚較厚的PCB來說，板厚有可能達(dá)到2.4mm或者3mm。以3mm的單板為例，此時(shí)一個(gè)通孔在PCB上Z方向的長(zhǎng)度可以達(dá)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(duì)相鄰差分過孔之間Z方向的并行長(zhǎng)度H大于100mil，而兩對(duì)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(yuǎn)大于水平方向的間距時(shí)，就要考慮高速信號(hào)差分過孔之間的串?dāng)_問題。順便提一下，高速PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該盡可能最小化過孔stub的長(zhǎng)度，以減少對(duì)信號(hào)的影響。如下圖所1示，靠近Bottom層走線這樣Stub會(huì)比較短?；蛘呖梢圆捎帽炽@的方式。

圖1：高速差分過孔產(chǎn)生串?dāng)_的情況(H>100mil, S=31.5mil )

差分過孔間串?dāng)_的仿真分析

下面是對(duì)一個(gè)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(jì)實(shí)例進(jìn)行的仿真。

如圖2所示，我們根據(jù)走線將4對(duì)差分對(duì)定義成8個(gè)差分端口。

圖2：串?dāng)_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(duì)D2端口的遠(yuǎn)端串?dāng)_來分析相鄰?fù)ǖ赖拇當(dāng)_情況。由圖3所示的結(jié)果我們可以看到距離較近的兩個(gè)通道，通道間的遠(yuǎn)端串?dāng)_可以達(dá)到-37dB@5GHz和-32dB@10GHz，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)來減小串?dāng)_。

圖3：差分對(duì)間的串?dāng)_仿真結(jié)果

也許讀到這里您會(huì)產(chǎn)生疑問：如何判定是差分過孔引起的串?dāng)_而不是差分走線引起的串?dāng)_呢?

為了說明這個(gè)問題，我們將上述的實(shí)例分成BGA扇出區(qū)域和差分走線兩部分分別進(jìn)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?dāng)_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?dāng)_都在-50dB以下，在10GHz頻段下甚至達(dá)到了 -60dB以下。而BGA扇出區(qū)域的串?dāng)_和原來整體仿真的串?dāng)_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(shí)例中差分過孔間的串?dāng)_起主要作用。

差分過孔間串?dāng)_的優(yōu)化

了解了此類問題產(chǎn)生串?dāng)_的根源，優(yōu)化差分過孔之間串?dāng)_的方法就比較明確了。增加差分過孔之間的間距是簡(jiǎn)單易行并且十分有效的方法。我們?cè)趯?shí)例原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上將差分過孔位置進(jìn)行了優(yōu)化，使得每對(duì)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(duì)比可以看出，優(yōu)化后的遠(yuǎn)端串?dāng)_比原設(shè)計(jì)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?dāng)_仿真結(jié)果

表1：優(yōu)化差分過孔間距前后串?dāng)_仿真數(shù)據(jù)對(duì)比