TW201926786A - 高速電路及其高速差分線結構 - Google Patents

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Abstract

一種高速差分線結構於此揭露。差分線結構包含第一線路和平行的第二線路。印刷電路板具有上表面和相對的下表面。所述線路形成於上表面上。所述結構包含接地平面層，其具有上層與印刷電路板的相對的下表面接觸。第一空部形成於接地平面層的上層上並位於第一線路的一側。第二空部形成於接地平面層的上層上並位於第二線路的一側。第二空部的長度係根據目標輻射頻率決定。第三空部形成於接地平面層上並連結第一空部和第二空部。

Description

高速電路及其高速差分線結構
本案是有關於一種高速差分線。特別是有關於一種具有返回路徑以降低輻射干擾的高速差分線。
高速差分訊號線被廣泛地用在伺服器/存儲器產品設計中。許多伺服器/存儲器產品包含設有用於電子裝置的不同印刷電路板的機架。印刷電路板包含各式各樣的訊號線以提供訊號給電路板上的裝置。訊號線通常以差分線對的方式安排成一特定訊號線。這種在印刷電路板上的差分線具有不同的模式，包含：差分模式、共同模式、以及在傳輸期間介於差分訊號間的轉換模式。由於越來越多產品應用需要在不同電路板之間或是在電路板和電纜線之間進行差分訊號轉換，共同模式能量會透過連接器經由這些轉換輻射到機架裡的孔洞。共同模式能量會在這兩個差分線上產生訊號，因此共同模式能量會產生雜訊而干擾經由這些線路傳輸之訊號並產生干擾問題。
第1圖係繪示一種印刷電路板12上的習知之返回電流電路線10的示意圖。印刷電路板12貼附在接地平面層14上。電流電路線10包含兩個差分線22和24於印刷電路板12的表面20上。接地平面層14接觸印刷電路板12的相對之表面。箭頭30顯示在差分線22裡的流入電流。箭頭32顯示差分線24裡的感應電流。箭頭34顯示產生位於差分線22下方的接地表面層14裡的返回電流。如第1圖所示，共同模式能量係透過箭頭30表示的流入電流減去耦合項所產生。
第2圖係繪示來自伺服器機架裡的訊號的電子訊號干擾的曲線圖。伺服器機架包含具有類似如第1圖所示之差分線的電路板。伺服器機架包含多個電路板。不同電路板之間的轉換允許共同模式能量經由機架的孔洞輻射。曲線50係指於FCC Class A的數位裝置裡的走線可允許之雜訊，而曲線60係指FCC Class A-AV的裝置裡的系統可允許之雜訊。如圖所示，現代的Class A-AV裝置可允許之雜訊更低。尖峰80係指於接近8GHz的頻率下無法接受的雜訊輻射，其係由例示之系統(例如伺服器機架)產生。
為了減少共同模式能量造成的輻射，線路需要設計以降低共同模式能量並維持差分線的所有能量。差分線還需要允許不同形狀的返回路徑以降低共同模式能量。返回路徑還需要決定多少長度以產生干擾抵銷於特定頻率之雜訊。
本案之一態樣係一種高速電路。高速電路包含印刷電路板，其具有第一表面和相對的第二表面。接地平面層，其具有第一表面與該印刷電路板的第二表面接觸。一對第一和第二差分線位於印刷電路板的第一表面上。所述差分線傳遞電子訊號。第一空部位於接地平面層的第一表面上。第一空部鄰近於第一差分線。第二空部係位於接地平面層的第一表面上。第二空部位係鄰近於第二差分線。第三空部形成於接地平面層的第一表面上。第三空部連結第一空部和第二空部。
本案的另一態樣係一種產生低干擾之差分線的方法。第一差分線和第二差分線形成在印刷電路板的第一表面上。第一空部形成於連結該印刷電路板的第二表面的接地平面層上，第一空部鄰近於第一差分線。第二表面相對於第一表面。第二空部的長度係根據目標輻射頻率決定。具有決定的長度的第二空部形成於接地平面層上。第二空部鄰近於第二差分線。第三空部形成於接地平面層的第一表面上。第三空部連結第一空部和第二空部。
本案的另一態樣係一種可降低共同模式輻射的高速差分線結構。高速差分線結構包含第一線路和平行的第二線路。印刷電路板具有上表面和相對的下表面。第一線路和第二線路形成於上表面上。所述結構包含接地平面層，其具有上層與印刷電路板的相對的下表面接觸。第一空部形成於接地平面層的上表層上且位於第一線路的一側。第二空部形成於接地平面層的上表層上且位於第二線路的一側。第二空部的長度係根據目標輻射頻率決定。第三空部形成於接地平面層的上層上。第三空部連結第一空部和第二空部。
上述發明內容不是旨在代表本發明的各個實施例或每個方面。而是，前述的發明內容僅提供了本文中陳述的新穎性方面和特徵中的一些的示例。從下面的結合附圖和隨附請求項進行的用於實施本發明的代表性實施例和方式的詳細說明中可知，本發明的上述特徵和優勢以及其他特徵和優勢將顯而易見
本發明容易產生許多不同形式的實施例。附圖中示出且在本文中將詳細說明代表性實施例，同時應理解，本發明被認為是本發明玄理的例子且本發明不是意要將本發明的廣泛方面限於所示的實施例，就此種程度來說，例如，不應透過暗示、推理或其他方式將摘要、發明內容和詳細說明書部分公開的但是未在請求項中明確陳述的要素和限制因素單獨地或共同地併入請求項。為了本詳細說明的目的(除非明確否定或邏輯上禁止)：單數包含負數，反之亦然；且詞語「包含」或「含有」或「具有」的意思是「包含但是不限於」。此外，例如就「在、接近或接近在」或者「在…的3至5%內」或「在可接受的製造公差內」或其任何邏輯組合的意義上來說，此能夠使用例如「約」、「幾乎」、「大概」等近似詞語。
第3圖係根據本發明之一實施例繪示的一種電子裝置100。電子裝置100可為包含容納多個不同元件之機架110的伺服器。舉例而言，其中一個元件群組120設置於機架110的一側並在兩個電源供應單元130上。另一個元件群組140設置於機架110裡的垂直插槽。元件群組120和140裡的各個元件包含印刷電路板。印刷電路板包含連接電路板上的電子元件之差分線用以傳導元件之間的訊號。機架110具有多個孔洞，而由元件群組120和140的電路板產生之雜訊可經過這些孔洞發射。
第2圖係繪示已知差分線電路經過機架110的孔洞輸出之雜訊的曲線圖。如第2圖所示，在本例中，輸出之雜訊發生於接近8GHz的地方。輸出之雜訊係由來自機架裡的電路板上的差分線之共同模式能量產生。
為了降低這樣的干擾，元件群組120和140(第3圖)中的各個電路板包含差分線結合接地平面層裡的返回路線設計以降低在目標頻率為8GHz的共同模式能量。因此這樣的線路結合可減少電子裝置100產生的電子雜訊。目標頻率係由機架110的干擾測試來決定。目標頻率視於機架110裡的電路板上的線資料傳輸率決定。
設計降低共同模式能量的返回線路之過程可依據使用四埠S參數模型化的差分線電路。對於四埠(兩個訊號線)S參數而言，有流入項S31 和S42 以及感應項S41 和S32 。根據冷次定律(Len’z Law)，感應項的方向與流入項的方向相反。根據混合模式S參數公式，差分訊號的差分模式輸出(Sdd21 )為: Sdd21 = (S31 - S32 + S42 - S41 )/2 差分訊號的共同模式輸出(Scc21 )為: Scc21 = (S31 + S32 + S42 + S41 )/2
為了減少共同模式的輸出能量，耦合項的增加是需要的。如第1圖所示，對於差分訊號而言，就在線路22下方的接地平面層14將有返回電流，其以箭頭34表示。箭頭34表示的返回電流流經與線路22裡的電流(由箭頭30表示)相反之方向。因此，返回電流路徑可設計以產生於目標頻率下的破壞性干擾。在這樣的情況下，鄰近的線路，例如線路24，可為返回電流的新路徑。這個新路徑增加了耦合項。因此，共同模式能量可大幅地降低。新返回電流路徑的長度公式為: Lpath = 1/(2f*TD) 在此公式中，Lpath 為新路徑的長度。TD為差分訊號於線路上傳播時的每密爾(mil)長度的延遲時間，而f為目標輻射頻率。
第4圖係根據本發明之一實施例繪示的一種依據上述之準則設計的線路配置200的透視圖。第5圖係根據本發明之一實施例繪示的第4圖之差分線的俯視透視圖。第6圖係根據本發明之一實施例繪示的第4圖之差分線的由上往下視圖。在第4~6圖中，相同的元件標示相同的元件符號。第4~6圖中的線路設計200形成在印刷電路板202上。印刷電路板202具有第一表面204以及相對的第二表面206。第二表面206與接地平面層208接觸。兩個平行的線路210和212形成在印刷電路板202的第一表面204上。接地平面層208具有第一表面220與印刷電路板202的第二表面206接觸。U型電流返回路徑圖樣222設立在接地平面層208的第一表面220裡。在本實施例中，U型圖樣222包含位於線路210的側邊的空部224。在本實施例中，空部224大約平行於線路210。在本實施例中，U型圖樣222還包含空部226位於線路212的側邊。在本實施例中，空部224大約平行於線路212。空部228連結空部224和226。因此，空部224和226位於接地平面層208裡並分別在線路210和212的外側。
如第4圖所示，箭頭232係指在線路210裡的流入電流。箭頭234係指流經線路212的感應電流。U型圖樣222產生於期望頻率下，接地平面層208裡的任一返回電流的破壞性干擾。因此，箭頭236顯示返回電流已被轉移到平行的線路212上。藉由這樣，來自感應電流(箭頭234)之方向的破壞性干擾可抵消來自流入電流232之相反方向產生的電流。虛線238係指根據來自U型圖樣222的空部224、226和228的破壞性干擾消除的返回電流。
在本實施例中，期望避免的目標輻射頻率為8GHz。空部226的長度係根據上述公式建立了新的電流返回路徑。在本實施例中，若給定目標輻射頻率為8GHz且每密爾的延遲時間(TD)為1.4285*10-13 ，則可決定返回路徑的長度(Lpath )為437.5密爾。比較從U型圖樣222產生的共同模式輸出Scc21 和沒有U型圖樣222的傳統差分線產生的共同模式輸出，返回電流在接近滿足設計目標的8GHz有大幅度地降低。
第7圖係根據本發明之一實施例繪示線路電路200產生的雜訊程度和沒有第4圖的U型圖樣222之線路電路產生的雜訊程度之比較的曲線圖。第一曲線700係指不具U型圖樣222之空部的差分線。第二曲線710係指返回電流根據第4圖的空部裡的新返回電流路徑造成的降低幅度。如第7圖所示，返回電流的降低發生在大約頻率為8GHz的地方，可導致額外的耦合效應，因此可減少在目標頻率下的共同模式雜訊。
第4~6圖的差分線電路200可特定製作以處理特定頻率下的輻射情況。差分線210和212形成於印刷電路板202的第一表面204上。空部224形成在接地平面層208的第一表面220上。空部226的長度係根據目標輻射頻率來決定。如上述解釋，長度係根據目標輻射頻率和差分訊號於線路210和212上傳播時的每密爾長度的延遲時間來決定。具有決定好的長度之空部226形成在接地平面層208的第一表面220上。空部224形成在鄰近差分線210的一側，而空部226形成在鄰近差分線212的一側。空部228形成在接地平面層208上並結合空部224和226。一旦U型圖樣222的空部224、226和228形成在接地平面層208裡，接地平面層208係結合於印刷電路板202的第二表面206。
雖然本實施例的U型圖樣222的空部224、226和228粗略為直線形狀，只要用於新的返回電流的空部具有可被期望之目標輻射頻率決定之長度，在接地平面層208裡的任何形狀或圖樣之空部皆可實現減少共同模式干擾。進一步而言，接地平面層208裡用於返回電流圖樣之空部只須包含位於差分線210之一側的第一空部，位於差分線212之一側的第二空部，以及連結第一空部和第二空部的第三空部。雖然上述之實施例舉例的第三空部垂直於第一空部和第二空部，第三空部與第一空部和第二空部關聯之角度係可任意選擇。空部的形狀(例如空部224和226)並非一定要相同。因此，空部224可以為一種形狀而空部226可以為另一種形狀，只要空部226具有可被目標頻率決定之足夠的長度。
第8圖係根據本發明之另一實施例繪示的一種與第7圖的U型圖樣222不同之形狀的返回路徑的線路電路800的透視圖。第8圖的線路設計800形成在印刷電路板802上。印刷電路板802具有上表面804和相對的下表面。下表面與位於印刷電路板802下層的接地平面層接觸。兩個平行的線路810和820形成在上表面804上。一連串的空部係建立在接地平面層的表面並與印刷電路板802的下表面接觸。空部包含連續片段820位於線路810的一側。空部還包含兩個片段822和824平行於線路812。兩個片段822和824皆位於線路812的一側。其中之一片段822位於鄰近線路812的一側。另一片段824偏移片段822並位於遠離線路812的所述一側。片段822和824係由橫片段826連結在一起並形成階梯形狀。空部828連結片段822、824和826。如第8圖所示，與線路812關聯之片段822和824的形狀和相對位置係不同於與線路810關聯之片段820的形狀和相對位置。
結合兩個片段822和824的總長度係藉由上述之公式以抵銷目標輻射頻率來決定。在本實施例中，若給定目標輻射頻率為8GHz且每密爾的延遲時間為1.4285*10-13 ，則返回路經的長度(Lpath )係可決定為437.5密爾。因此，第8圖的兩個片段822和824之總長度為437密爾。
類似於第2圖的差分線電路200，流入電流係於線路810產生。感應電流流經線路812。片段822和824的空部產生於期望目標頻率下，接地平面層裡的任何返回電流的破壞性干擾。因此，返回電流轉移到平行的線路812。如上述解釋，片段820的形狀和與線路810的距離可以有變化，且可類似或是不同於片段822和824的形狀和與線路820的距離。除了階梯配置之外，片段822和824的圖樣和位置可使用其它不同的圖樣和位置。
第9圖係繪示第4圖的線路電路200產生的雜訊程度之曲線圖。第一曲線900係指來自第4圖的差分線電路200的返回電流。第二曲線910係指來自第8圖的差分線電路800的返回電流。如圖所示，第8圖的返回路徑之配置產生大約與第4圖的返回路徑相同的返回電流減少量。因此，第8圖的替換差分線配置800係可有效地抵銷目標頻率為8GHz的雜訊。
用在本案的術語如元件、模組、系統等一般是指電腦相關之實體，可為硬體(如電路)、硬體和軟體之組合、軟體和與具有一或多個特定功能相關之運算機器的實體之其中一者。舉例而言，元件可例如是，但並未限制於，在處理器執行的程序(如數位訊號處理器)、處理器、物件、可執行的程序、執行線程、程式、及/或電腦。舉例而言，在控制器執行的應用程式和控制器皆可為元件。一或多個元件可位於處理器及/或執行線程裡，且元件可集中於電腦及/或分散於兩個或多個元件之間。進一步而言，裝置可為，以特定設計之硬體形成；藉由執行軟體可使一般硬體特別化使其可執行特定之功能；軟體儲存於電腦可讀取之媒體；或上述之組合。
這裡使用的術語僅是為了描述特定實施例的目的，而不易域限制本發明。如這裡所使用的，單數形式「一」、「一個」和「該」也意在包含複數形式，除非上下文清楚表明並非如此。還將理解，擴增性用語「包含」(“including”或“includes”)、「具有」(“having”或“has”)、「有」(“with”)或其變形，使用於說明書細部及/或請求項中，此些用語隱含的用法類似於「包含」(“comprising”)。
除非另外定義，於此所使用之全部字詞(包含技術及科學字詞)具有與本技術領域中具有通常知識者之通常理解相同之意思。將進一步理解的是，例如定義於通用字典中之那些字詞應被解讀為具有與其於相關領域之文章中之含義一致的含義，而不過於理想或過度地解釋，除非本文中已明確地如此定義。
雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧返回電流電路線
12、202、802‧‧‧印刷電路板
14、208‧‧‧接地平面層
20‧‧‧表面
22、24‧‧‧差分線
30、32、34、232、234、236‧‧‧箭頭
50、60‧‧‧曲線
80‧‧‧尖峰
100‧‧‧電子裝置
110‧‧‧機架
120、140‧‧‧元件群組
130‧‧‧電源供應單元
200、800‧‧‧線路電路
204、220‧‧‧第一表面
206‧‧‧第二表面
210、212、810、812‧‧‧線路
222‧‧‧U行圖樣
224、226、228、828‧‧‧空部
238‧‧‧虛線
700、900‧‧‧第一曲線
710、910‧‧‧第二曲線
804‧‧‧上表面
820、822、824‧‧‧片段
826‧‧‧橫片段
為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖示之說明如下： 第1圖係繪示一種電路板上的習知之差分線的示意圖； 第2圖係繪示來自機架裡的習知之差分線上的訊號於一特定頻率的電子訊號干擾的曲線圖； 第3圖係根據本發明之一實施例繪示的一種包含多個電路板的電子裝置的背視圖，其中電路板包含具有例示之減少干擾的返回路徑之線路； 第4圖係根據本發明之一實施例繪示的一種具有一返回路徑以減少共同模式能量的例示之差分線的透視圖； 第5圖係根據本發明之一實施例繪示的第4圖之差分線的俯視透視圖； 第6圖係根據本發明之一實施例繪示的第4圖之差分線的由上往下視圖； 第7圖係根據本發明之一實施例繪示的第4圖之差分線的於目標頻率的返回電流特性的曲線圖； 第8圖係根據本發明之另一實施例繪示的一種具有不同形狀之返回路徑的差分線的俯視透視圖；及 第9圖係根據本發明之另一實施例繪示的一種具有不同形狀之返回路徑的差分線的俯視透視圖。

Claims (10)

  1. 一種高速電路，包含： 一印刷電路板，具有一第一表面和一相對的第二表面； 一接地平面層，具有一第一表面與該印刷電路板的該第二表面接觸； 一對第一和第二差分線位於該印刷電路板的該第一表面上，該些差分線傳遞一電子訊號； 一第一空部位於該接地平面層的該第一表面上，該第一空部位於該第一差分線的一側； 一第二空部位於該接地平面層的該第一表面上，該第二空部位於該第二差分線的一側；以及 一第三空部位於該接地平面層的該第一表面上，該第三空部連結該第一空部和該第二空部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高速電路，其中該第一空部和該第二空部具有相同形狀。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之高速電路，其中該第二空部包含一第一片段和一第二片段，其中該第一片段和該第二片段平行於該第二差分線。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之高速電路，其中該第二片段偏移該第一片段。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之高速電路，其中該第二空部的一長度係視抵銷於一目標輻射頻率的雜訊決定。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之高速電路，其中該第二空部的一長度係由下式決定： Lpath = 1/(2f*TD) 其中，Lpath 為該第二空部的該長度， TD為差分訊號於該些差分線上傳播時的每密爾(mil)長度之延遲時間，以及f為一目標輻射頻率。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之高速電路，其中該第一空部與該第一差分線的距離與該第二空部與該第二差分線的距離相同。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之高速電路，其中該第一空部與該第一差分線的距離與該第二空部與該第二差分線的距離不同。
  9. 一種高速差分線結構，包含： 一第一線路； 一平行的第二線路； 一印刷電路板，具有一上表面和一相對的下表面，其中該第一線路和該第二線路形成於該上表面上； 一接地平面層，具有一上層與該印刷電路板的該相對的下表面接觸； 一第一空部，形成於該接地平面層的該上表層裡並位於該第一線路的一側； 一第二空部，具有一決定的長度，形成於該接地平面層的該上表層裡並位於該第二線路的一側，其中該第二空部的該長度係根據一目標輻射頻率決定；以及 一第三空部，位於該接地平面層的該上層上，該第三空部連結該第一空部和該第二空部。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之差分線結構，其中該第二空部包含一第一片段，以及偏移該第一片段的一第二片段。
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