均匀差分对的衰减有两个根本原因:导体损耗和介电损耗。通过理解设计决策如何影响这两个根本原因,我们可以制定一些简单的指导原则,为我们指明减少信道的衰减的方向。在某些情况下,增加差分阻抗会降低损耗,在某些情况下会增加损耗。接下来分析这些产生的原因。
如果将一个正弦波信号发送到一个匹配良好的、均匀的差分信道中,没有其他信道的串扰,那么振幅将随着它在信道中传播而呈指数下降,所有同质通道都是如此,下图显示了通过互连产生的幅度下降。
传输线上某一距离处的振幅由下式描述:
Vout(d)是沿互连线向下一段距离的电压幅值
Vin是进入轨迹的初始振幅
A[dB]为衰减,单位为dB的互连距离,d
α[dB/in]是互连线每长度的衰减
d是沿线的距离
这就是衰减定义的由来,它是指数的正部分,单位是dB。在指数中明确地加入负号,使振幅减小,衰减更大。衰减是正的,信道中较大的衰减值意味着在接收端RX处有更多的信号损失和较小的幅度。
所有均匀信道的衰减将随信道长度线性增加,它是随距离线性增加的指数。可以生成另一个性能指标,即每长度的衰减,单位为dB/in,它表征了信道的特性,每长度的衰减为正。单位长度的衰减越大,意味着信道中的损耗越大,接收器上的信号越少,使用这个术语作为一个参考值来比较不同的通道,与它们的长度无关。
由于两种机制导致衰减产生,分别为导体损耗和介电损耗,每长度的衰减本质上是频率相关的。由于趋肤深度效应引起的电流收缩,导体损耗随频率的平方根而增加,由于偶极子运动更快,介电损耗直接随频率增加而增加。
在匹配良好且无串扰的信道SDD21中,传输系数也与衰减有关:
除了负号之外,SDD21与通道中的衰减完全相同。负号是引起混淆的地方,信道衰减越大,到达接收机的信号越少,传输系数SDD21减少。用更高的衰减和更低的SDD21来描述更有损耗的信道是合适的。
习惯于将SDD21称为差分插入损耗,使用对插入损耗的定义,即|SDD21(dB)|。实际上,插入损耗为-SDD21[dB],当信道内衰减增大时,SDD21[dB]减小,但插入损耗增大。但是,当绘制SDD21[dB]时,通常将其绘制为负数,插入损耗应该是以dB为单位的正数,那么信道中更高的损耗意味着更高的插入损耗。
插入损耗,SDD21[dB]|将与沿传输线行进的距离成正比,插入损耗的频率依赖关系(以dB为单位)来源于导体损耗和介质损耗的频率依赖关系。使用一个简单的模型对有损耗线和“低损耗”近似,这基本上意味着耗散因子小于0.05时,SDD21[dB]可近似为:
SDD21=差分传输系数,单位为dB
Rlen=差分对每长度的电阻
Z0=对的差分特性阻抗
Glen=差分对每长度的电导
Len =差分对的长度
从公式可以得到的是,如果想保持传输系数SDD21大,需要使用短长度。这种关系将第一项的导体损耗和第二项的介电损耗分开,这两种损失机制大多是独立的。
在每长度的电导和特性阻抗之间有重要的联系,影响每长度电导的相同几何特征对特性阻抗的影响呈反比,这意味着这两项的乘积抵消了几何项。介质损耗项可简化为下式:
这就是说,影响SDD21的唯一项是介电损耗的耗散因子Df,以及作为二阶项的介电常数Dk。传输线的物理设计,如介电厚度、线宽,甚至特性阻抗对介电损耗机制产生的插入损耗没有影响。SDD21项与介电损耗的频率依赖性是由于随着频率的增加,偶极子的快速旋转产生的更高的泄漏电流所产生的显式频率项。
如果你想减少由于电介质造成的SDD21,唯一需要调整的是降低耗散系数。较低的Dk会有所帮助,但它是一个平方根依赖,可供选择的范围不大。当使用低损耗介质时,例如Megtron 6或7甚至新的Rogers RO1200,通道损耗主要由导体损耗支配。
如何减少导体损耗呢?假设使用的是最光滑的铜箔,上述关系指出,减少每长度的电阻或增加差分阻抗。以减少每长度的电阻是增加走线的线宽,较宽的线路每长度的阻值较低。但是,差分阻抗也会受到线宽的影响。一般来说,只要线宽增加,差分阻抗就会减小。增加线宽将减少分子和分母。问题就在这里。根据线宽对每长度电阻和差分阻抗的影响,净影响是更宽的线可能不会大大减少插入损耗。为什么较高的差分阻抗比较低的差分阻抗具有更低的损耗?如果增加差分阻抗而不减小线宽,例如使用较厚的电介质,则衰减将与差分阻抗的增加成正比。当线宽恒定时,从85欧姆增加到100欧姆时,差分阻抗增加18%,如果以导体损耗为主,则插入损耗将减少18%。如果通过保持差分阻抗恒定来设计更宽的线路,则插入损耗将与线宽成比例地减少。下面是如何在恒定差分阻抗下实现更宽走线的方法:
1. 使用尽可能厚的介电层
2. 在信号和返回平面之间使用尽可能低的Dk
3. 使用松耦合的差分对
4. 使用尽可能高的差分阻抗
5. 使用最光滑的铜,降低粗糙度
当减少损耗是设计的主要驱动力时,这些应该是设计尽可能低的导体损耗的起始指导方向。那当仅增加线宽时,损耗会发生什么?
在松耦合带状线差分对的特殊情况下,具有5mil宽的走线,设计为100欧姆,可以使用场求解器来评估增加线宽对损耗的影响。较宽的线路会减小电阻,但也会减小差分阻抗。比率会发生什么变化?选择14GHz的Nyquist频率,用于28GbpsNRZ信号或56GbpsPAM4信号。下图显示了该带状线的层叠设计的标称起始位置。
在这个例子中,介质损耗被关闭,假设使用的是非常光滑的铜,在14GHz时,仅导体损耗的每英寸插入损耗为0.404dB/英寸。这意味着对于20in长的通道,14GHz时导体损耗的插入损耗为0.404x20= 8.1dB,SDD21为-8.1dB,粗铜和介电损耗会使其增加2-4倍。
如果唯一增加的项是线宽,差分阻抗就会减小,插入损失会怎样呢?通过调整两条走线的线宽,计算了14GHz时的差分阻抗和每英寸的插入损耗。下图是随线宽增加的平滑铜损耗的差分阻抗和传输系数SDD21的曲线图。
当线宽变宽时,插入损耗确实会变小,但其影响并不像仅仅增加线宽所预期的那么大。例如,在100欧姆差分阻抗下,5mil宽的走线在14GHz时的插入损耗为0.404dB/inch。只要将线宽增加到7mil,差分阻抗就会降低到85欧姆,插入损耗增加到0.37dB/英寸。
线宽增加了40%,但插入损耗只增加了8%。这就是为什么要最大限度地减少插入损耗,在不改变差分阻抗的情况下增加线宽。在本例中,减小了差分阻抗,从而降低了插入损耗。但是,如果我们保持线宽不变并减小差分阻抗,则插入损耗将从导体损耗增加。同时,介质损耗将保持不变,与差分阻抗无关,因为它与几何形状无关,只与材料性质有关。
在实际进行高速接口设计时,重要的是要考虑损失来源的根本原因,以及设计和材料选择如何共同发挥作用。减少导体损耗不仅仅是增加线宽,还包括降低差分阻抗。如果所做的只是减小差分阻抗,如果保持线宽不变,插入损耗可能会增加,如果改变线宽来调整差分阻抗,插入损耗可能会减少。这就需要实际设计时进行tradeoff。