从 Crosstalk 到信号质量:Stripline 在 DDR 设计中的关键角色

DDR内存总线的信号完整度SI一直是PCB设计的重要课题。 影响DDR DQ SI的因素相当多,包括反射、损耗、以及串音(Crosstalk,或称Xtalk)等等。 Xtalk即在相邻走线之间,由于电磁耦合而产生的干扰,尤其当其因为整体走线空间不够造成两两走线间间距不足时,Xtalk就会更加明显。

DDR bus由于同时具备有single-end单端走线、走线空间极度限制、bus线很多(含ECC的话,DDR4以下x72,DDR5是x40),囊括这些对于Xtalk不利的因子于一身,因此对于Xtalk的设计考量非常吃重!

Stripline设计

传统做法常将DDR讯号走于PCB外层(Microstrip); 然而,若将DDR讯号放在内层(Stripline)并适当参考上下平面,能够有效降低走线之间的电磁耦合,因而减少Xtalk的发生,也就间接提升整体的讯号完整度。 接下来,我们将探讨 Stripline 对于降低Xtalk的原理与优势,并分享一些设计重点。

为何 Stripline 可改善 DDR Xtalk?

1. 更好的电磁屏蔽效果

在内层走线时,上下均有参考平面作为屏蔽,能限制电场与磁场的扩散范围,降低走线之间的耦合。 因此和外层的 Microstrip 相比,Stripline 设计更能有效减少Xtalk。

2. 可控制的特性阻抗与更一致的介质环境

走线位于内层时,其上下介质环境相对一致,电场环境相对Microstrip更加对称,所以可以更精准地控制特性阻抗。 在外层走线由于空气介电常数DK与PCB材料不同,且不稳定因素多,因此 Stripline 方式能提升阻抗一致性。

3. Very Low Far-end Crosstalk

Crosstalk分成两种,Near-end crosstalk(NEXT)与Far-end crosstalk(FEXT),对DDR而言我们关注的是FEXT。 我们在什么? Stripline的FEXT为0! Why?一文中已经知道透过叠构的设计,将走线放在内层(Stripline),电磁波的偶模速度(Even-mode velocity)与奇模速度(Odd-mode velocity)会趋近于相等,因此可以得到非常低的FEXT。

Case Study

Microstrip

我们利用Cadence的Topology Workbench(TopWb)来实际作一遍看看结果会差异多少!

这是一个很基本的DDR PCB pre-layout simulation的通道,包含DDR Controller IBIS model、DRAM IBIS model和一个简单的传输线bus。

我们先来看PCB通道设计成微带线(Microstrip)会如何。

在Trace Editor这里我们可以设置叠构,其中包含了介质与导体厚度、材料DK与DF、金属导电率、金属蚀刻角度与金属表面粗糙度。 右下角表格可以设定需要几条传输线,每条线的线宽、线距与整体的线长是多少。 例如,现在这个设计是介质厚度为4mil,DK与DF各为3.4与0.006,而Soldermask的厚度为0.5mil,DK与DF为4与0.02。 Single-end传输线的线宽为6.4mil,两两线之间的间距为5mil,Differential pair的线宽/线距为4.8/7.5mil。

Trace Editor可以很快地分析每条Single-end传输线以及Differential pair的阻抗,可以看到每条Single-end阻抗接近50Ohm(会看到48Ohm是因为Spacing很近,有耦合电容Cm导致阻抗变低),Differential Pair的阻抗要看最下面的i-j,阻抗为100Ohm。

我们是做DDR Write,所以会需要再Controller IBIS里头设置激发源,DDR的每条DQ线都应该要有不同的data pattern传输,所以要给Random(给PRBS也是可以),并记得要把"Same Pattern for all signals"关掉,不然所有的DQ都会强制打一样的pattern。

接着设定Data Rate,这里我们给他3.2Gbps,也可以在这里给Controller与Memory定义IO model,对于DDR而言就是On-die terminator(ODT)。

我们可以看到眼图有非常大的Crosstalk噪声!

Stripline

我们将走线放到内层,也就是利用Stripline的走线方式。

可以很清楚地看到眼图好非常多,整个眼睛都明亮起来!

有看过Intel platform design guide的就知道,Intel在定义DDR的走线间距时,Microstrip都会定义较远,印象有落在9H~11H,而Stripline只要大约5H~7H,Crosstalk就是一个很大的因素。

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