1、高速電路信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì),電子工業(yè)出版社教材配套電子教案,第十一章高速電路的差分線設(shè)計(jì),差分線的基本概念 差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算 差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,差分線的基本概念,差分信號(hào)的定義 一個(gè)差分信號(hào)(Differential Signaling是用一個(gè)數(shù)值來(lái)表示兩個(gè)物理量之間的差異。從嚴(yán)格意義上來(lái)講，所有電壓信號(hào)都是差分的，因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能是相對(duì)于另一個(gè)電壓而言的。差分信號(hào)的傳輸是利用兩個(gè)輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)兩條傳輸線。一根攜帶信號(hào)，另一根攜帶它的互補(bǔ)信號(hào)。所需的信號(hào)就是兩條傳輸線上的電壓差，它攜帶要傳輸?shù)男畔ⅰ?圖11.1 單端信號(hào)和差分信號(hào),差分線的基本概念,差分信號(hào)傳輸 與單

2、端信號(hào)傳輸相比有如下優(yōu)點(diǎn)： 輸出驅(qū)動(dòng)總的 會(huì)比單端信號(hào)線上的大幅降低，從而減少了軌道塌陷和潛在的電磁干擾(EMI) 與單端放大器相比，接收器中的差分放大器有著更高的增益 差分信號(hào)在一對(duì)緊耦合差分對(duì)中傳播時(shí)，在返回路徑中對(duì)付串?dāng)_和突變的魯棒性更好 因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)都有自己的回路，所以差分信號(hào)通過(guò)接插件或封裝時(shí)，不易受到開關(guān)噪聲的干擾 使用價(jià)格低廉的雙絞線即可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離差分信號(hào)的傳輸,差分線的基本概念,差分和共模 差分信號(hào)Vdiff Vdiff定義為： 其中，V1、V2分別是信號(hào)線1和信號(hào)線2相對(duì)于共用返回路徑的信號(hào)電壓。 共模信號(hào)Vcomm Vcomm定義為： 即共模信號(hào)用兩條信號(hào)線上平均電壓表示

3、。其中，V1、V2分別是信號(hào)線1和信號(hào)線2相對(duì)于共用返回路徑的信號(hào)電壓。,差分線的基本概念,奇模和偶模 差分對(duì)的模態(tài)是用來(lái)定義特殊的電壓模式，它是差分線對(duì)的固有性質(zhì)。當(dāng)差分對(duì)以這兩種模態(tài)激勵(lì)時(shí)，它上面的信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)失真的傳輸。兩條傳輸線上有相同驅(qū)動(dòng)電壓的為偶模，有相反驅(qū)動(dòng)電壓的為奇模。,圖11.2 兩條邊緣耦合微帶傳輸線上的電壓模式,差分線的基本概念,差分對(duì)和差分阻抗 差分對(duì) 差分對(duì)是指一對(duì)存在耦合的傳輸線，每條線都可以用簡(jiǎn)單的單端傳輸線。這兩條線組合在一起就稱為“一個(gè)差分對(duì)”。,圖11.3 幾種最常見的差分線對(duì)的截面圖,差分線的基本概念,差分阻抗 差分對(duì)最重要的電氣特性是差分信號(hào)的阻抗，

4、稱為“差分阻抗”，即差分對(duì)對(duì)差分信號(hào)的阻抗，是差分信號(hào)電壓與其電流的比值。這個(gè)定義是計(jì)算差分阻抗的基礎(chǔ)，其微妙之處在于怎樣定義信號(hào)的電壓和電流。對(duì)差分對(duì)來(lái)說(shuō)，若兩線離得足夠遠(yuǎn)，則每條線的單端阻抗Z0為50歐姆。流經(jīng)信號(hào)傳輸線和返回路徑之間的電流為： 式中，Ione為流入信號(hào)線并從返回路徑流出的電流；Vone為信號(hào)線與相鄰返 回路徑的電壓；Z0為信號(hào)線的單端特性阻抗。 傳輸線上的跳變差分信號(hào)是兩條信號(hào)線上的差信號(hào)。它的電壓是每條信號(hào)線上電壓的兩倍：2 Vone。根據(jù)阻抗的定義，差分信號(hào)的阻抗為: 式中，Zdiff為差分阻抗；Vdiff為電壓差或差分信號(hào)變化；Ione為流入一條信號(hào)線后從其回路流出

5、的電流；Vone為一條信號(hào)線與相鄰返回通路的電壓；Z0為單條線的單端特性阻抗。,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,無(wú)耦合時(shí)的差分阻抗 假設(shè)兩條傳輸線相隔足夠遠(yuǎn)，比如兩線相隔距離至少是線寬的兩倍，兩條線之間的相互作用就不明顯了，這就是無(wú)耦合的情況。 如果一個(gè)差分信號(hào)沿差分對(duì)傳輸?shù)竭_(dá)接收終端，那么終端的差分阻抗非常大，差分信號(hào)將會(huì)反射回源端。這種多次反射就會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響信號(hào)質(zhì)量。下圖所示的就是一個(gè)差分線末端出現(xiàn)的模擬差分信號(hào)。振鈴的出現(xiàn)是由于差分信號(hào)在低阻抗的驅(qū)動(dòng)器和高阻抗的線端之間的多重反彈。圖中差分對(duì)互連末端沒(méi)有端接，并且差分對(duì)之間沒(méi)有耦合。,圖11.4 差分電路和差分線對(duì)的遠(yuǎn)端接收信號(hào),差分信號(hào)的

6、阻抗分析與計(jì)算,消除反射的一種方法就是在兩條信號(hào)線的末端跨接一個(gè)端接電阻來(lái)匹配差分阻抗，其電阻值必須為 。對(duì)差分信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)線末端的端接電阻和差分對(duì)的阻抗是相同的，這將會(huì)消除反射。下圖就是在兩信號(hào)線之間加入100歐姆電阻后，接收端的差分信號(hào)。圖中差分對(duì)末端有端接，并且差分對(duì)之間沒(méi)有耦合。,圖11.5 差分對(duì)遠(yuǎn)端接收到的差分信號(hào),差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,耦合時(shí)的差分阻抗 當(dāng)兩條帶狀線相距越來(lái)越近時(shí)，它們邊緣的電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)重疊，二者之間的耦合程度也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。耦合程度用單位長(zhǎng)度上的互感電容C12與互感電感L12表示。 當(dāng)把兩信號(hào)線靠近時(shí)，C11和C12都會(huì)改變。當(dāng)信號(hào)線1與其返回路徑的一些邊緣

7、區(qū)域被相鄰信號(hào)線干擾時(shí)，C11將減小，C12會(huì)增加。但是，負(fù)載電容CL = C11+ C12改變不大。下圖所示為單位長(zhǎng)度上負(fù)載電容CL、單位長(zhǎng)度對(duì)角電容C11及耦合電容C12的變化情況。帶狀線材料是FR4，線寬5 mil，特性阻抗50歐姆。,圖11.6 CL, C11與C12隨兩線的邊緣舉例的變化,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,當(dāng)把兩信號(hào)線靠近時(shí)，L11和L12都將發(fā)生改變。下圖所示為單位長(zhǎng)度上環(huán)路自感L11的變化和單位長(zhǎng)度上環(huán)路互感L12隨兩線的邊緣舉例的變化。由于相鄰導(dǎo)線的感應(yīng)渦流，L11將會(huì)有略微的減小(最近時(shí)的減小量小于1)，L12會(huì)增加。,圖11.7 L11與L12隨兩線邊緣舉例的變化,

8、差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,總之，把兩條走線放置在一起時(shí)，耦合增加。但是，即使在間距更緊密的情況下，間距等于線寬，最大的相對(duì)耦合度(即C12/C11或L12/L11)仍小于15%。當(dāng)間距大于15 mil時(shí)，相對(duì)耦合減小至1%，基本可忽略不計(jì)。下圖所示為當(dāng)兩條50歐姆、5 mil的FR4帶狀線間的間距變化時(shí)相對(duì)互容和相對(duì)互感的隨線距的變化，即相對(duì)電容耦合與相對(duì)電感耦合的比值，如何隨間隔的變化而變化。注意，對(duì)于帶狀線這種有相同介質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳輸線，兩傳輸線的相對(duì)耦合電容與相對(duì)耦合電感是相同的。,圖11.8 間距變化時(shí)相對(duì)互容和相對(duì)互感的變化,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,當(dāng)兩傳輸線相隔較遠(yuǎn)時(shí)，線1的特性阻抗

9、完全與另一條線無(wú)關(guān)。特性阻抗與C11呈反比關(guān)系： 式中，Z0為線上的特性阻抗；C11為信號(hào)線與返回通路之間的電容。當(dāng)信號(hào)線相距非常近時(shí)，臨近信號(hào)線的存在會(huì)影響線1的阻抗，這被稱為“臨近效應(yīng)”。 下面分析三種情況下，單根信號(hào)線的特性阻抗隨兩信號(hào)線間距的變化情況： 1）當(dāng)?shù)诙l信號(hào)線連接在返回路徑線上，例如0V信號(hào)作用在線2上，只有線1被驅(qū)動(dòng)。 那么線1的阻抗將取決于負(fù)載電容。驅(qū)動(dòng)線的特性阻抗和驅(qū)動(dòng)線上單位長(zhǎng)度的電容有關(guān)： 當(dāng)兩條信號(hào)線越靠越近時(shí)，線1的阻抗將減小，但減小幅度不到1%。,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,2） 第二條走線也被驅(qū)動(dòng)并且信號(hào)與線1相反，例如線1上的信號(hào)從0 V上升到1 V，線2

10、上的信號(hào)從0 V下降到-1 V。 當(dāng)線1上的驅(qū)動(dòng)開啟時(shí)，因?yàn)榫€1與返回路徑間存在dV11/dt，于是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穿過(guò)電容C11的電流。同時(shí)，因?yàn)閮删€之間的電壓變化dV12/dt，同樣有電流從線1流向線2。這個(gè)變化的電壓將是線1與其回路上電壓的兩倍，即V12 = 2V11。流經(jīng)信號(hào)線的電流將由下式?jīng)Q定： 因?yàn)閮蓷l信號(hào)線由方向相反的兩個(gè)跳變信號(hào)驅(qū)動(dòng)，電流從驅(qū)動(dòng)流入線1，然后流向返回路徑。當(dāng)兩條信號(hào)線互相靠近時(shí)，為了能夠驅(qū)動(dòng)單端信號(hào)線更大的電容，這個(gè)電流將會(huì)增大。,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,3）假設(shè)給第二條信號(hào)線加上與第一條信號(hào)線相同的信號(hào)，由于兩條信號(hào)線之間不存在電壓差，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，只有電容C1

11、1存在，這就意味著要驅(qū)動(dòng)的電容減小了。此時(shí)流經(jīng)信號(hào)線1的電流為： 由上面的分析可知，當(dāng)?shù)诙l臨近信號(hào)線存在時(shí)，信號(hào)線1的特性阻抗不是一個(gè)特定的值，這個(gè)值還取決于臨近信號(hào)線的驅(qū)動(dòng)情況。如果信號(hào)線2被固定在0電位，則阻抗接近于無(wú)耦合時(shí)的值。如果信號(hào)線2加相反信號(hào)，則阻抗值會(huì)降低。如果信號(hào)線2加相同電壓，則阻抗值會(huì)升高。 圖11.9 給出了這三種情況下，信號(hào)線1的單端特性阻抗隨兩信號(hào)線間距的變化情況。圖中傳輸線為50歐姆、5 mil寬的FR4帶狀線。,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,圖11.9 三種情況下信號(hào)線1的單端特性阻抗隨兩信號(hào)線間距的變化情況,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,當(dāng)差分信號(hào)沿差分對(duì)傳播時(shí)，對(duì)

12、它來(lái)說(shuō)，阻抗是每條線與其回路間單端特性阻抗的串聯(lián)。差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)在這兩條信號(hào)線上驅(qū)動(dòng)兩個(gè)相反的信號(hào)。正如上面所提到的，此時(shí)每條線的阻抗將因?yàn)楸舜说鸟詈隙鴾p小，而差分阻抗仍是每條線特性阻抗的兩倍。圖11.10示出了兩線間距減小時(shí)差分阻抗的變化情況。圖中導(dǎo)線材料為50歐姆、5 mil寬的FR4帶狀線。對(duì)帶狀線來(lái)說(shuō)，相比于間距等于3倍線寬的無(wú)耦合情況，在可制造的最小間距(如間距等于線寬)下，存在耦合時(shí)的差分阻抗也僅僅減小約12%。,圖11.10 減小兩線的間距時(shí)50歐姆帶狀線的差分阻抗變化情況,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,返回電流分布對(duì)阻抗的影響 當(dāng)差分對(duì)的兩信號(hào)線間距比較大時(shí)，兩線間的耦合度比較小，在

13、這種情況下，如果用差分信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)它們，除了信號(hào)線中會(huì)出現(xiàn)電流外，返回平面中也會(huì)出現(xiàn)與之大小相等，方向相反的電流。并且返回平面中的電流不會(huì)出現(xiàn)重疊。此時(shí)返回路徑平面中的總電流為零，但是每條信號(hào)線底下的平面中有確定的局部電流分布。任何改變電流分布的因素都將會(huì)改變差分對(duì)的差分阻抗。 對(duì)一對(duì)共用返回導(dǎo)體的單端傳輸線來(lái)說(shuō)，如果返回導(dǎo)體距信號(hào)線足夠遠(yuǎn)，那么差分信號(hào)的返回導(dǎo)體電流分布就會(huì)相互重疊，相互抵消。此時(shí)返回路徑導(dǎo)體的存在對(duì)差分阻抗產(chǎn)生不了任何影響。 分析三種典型的情況： 邊緣耦合的微帶線、雙絞線電纜、側(cè)面耦合的帶狀線。,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,邊緣耦合的微帶線 若邊緣耦合微帶線的兩線間距達(dá)到可制造

14、的最小值，通常這個(gè)典型值為線寬，則兩線間的耦合度最大。則返回平面上有明顯電流的分布，平面的存在影響了差分阻抗。如果將平面移到更遠(yuǎn)，每條線的單端特性阻抗增加，差分阻抗也會(huì)增加。但是，隨著平面越移越遠(yuǎn)，差分信號(hào)的返回電流在平面中的重疊程度也越來(lái)越大，當(dāng)返回平面達(dá)到一個(gè)足夠遠(yuǎn)的距離時(shí)，返回路徑電流重疊的程度達(dá)到使返回路徑電流消失的程度。此時(shí)，返回路徑平面的存在將不會(huì)再影響差分阻抗。如下圖所示：,圖11.11 不同距離時(shí)邊緣耦合微帶線的單端阻抗和差分阻抗變化,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,雙絞線電纜 對(duì)屏蔽雙絞線來(lái)說(shuō)，每條信號(hào)線的返回路徑都是屏蔽層。雙絞線的間距取決于絕緣層的厚度。當(dāng)兩條雙絞線都近似位于屏

15、蔽層的中心而由差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，它們的返回電流朝相反方向流動(dòng)，并相互疊加，屏蔽層內(nèi)將沒(méi)有剩余電流分布。此時(shí)屏蔽線產(chǎn)生不了電效應(yīng)作用，對(duì)差分阻抗沒(méi)有影響。當(dāng)屏蔽層距雙絞線線非常近時(shí)，兩條雙絞線偏離中心軸的位置將導(dǎo)致它們?cè)谄帘螌又械姆祷仉娏鞣植忌杂胁煌４藭r(shí)屏蔽層位置的改變將會(huì)輕微地改變差分阻抗。下圖顯示出了屏蔽體的半徑增大時(shí)，單端雙絞線與屏蔽層間的單端特性阻抗和雙絞線的差分阻抗的變化情況。,圖11.12 屏蔽體的半徑增大時(shí)單端雙絞線與屏蔽層間的 單端特性阻抗和雙絞線的差分阻抗的變化情況,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,側(cè)面耦合的帶狀線 對(duì)側(cè)面耦合帶狀線而言，也存在著同樣的效應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)參考平面互相靠近并且

16、傳輸線由差分信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)參考平面內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)各自獨(dú)立的明顯的返回電流。此時(shí)，平面的存在會(huì)影響到差分阻抗。當(dāng)平面間距增加時(shí)，每條線在兩個(gè)平面內(nèi)的返回電流分布都基本相同，因此平面內(nèi)的電流相互抵消。此時(shí)平面的影響可以忽略。下圖示出了平面間距增加時(shí)，信號(hào)線與平面間單端特性阻抗和兩信號(hào)線間差分阻抗的變化。,圖11.13 平面間距增加時(shí)信號(hào)線與平面間的 單端特性阻抗和兩信號(hào)線間差分阻抗的變化,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,小結(jié)： 上述三種典型的情況說(shuō)明了差分對(duì)一個(gè)非常重要的性質(zhì)：當(dāng)信號(hào)線與返回平面間的耦合度大于兩信號(hào)線間的耦合度時(shí)，返回路徑平面中將會(huì)出現(xiàn)明顯的返回電流。此時(shí)平面在確定差分對(duì)差分阻抗時(shí)起到重

17、要作用。而當(dāng)兩信號(hào)線間的耦合度遠(yuǎn)大于信號(hào)線與返回平面間的耦合度時(shí)，平面中的大部分返回電流會(huì)疊加、抵消。這種情況下平面影響不了差分信號(hào)，將它移走不會(huì)影響到差分阻抗。此時(shí)第一條線的返回電流可以看成由第二條信號(hào)線來(lái)傳送。,差分信號(hào)的阻抗分析與計(jì)算,差分阻抗的計(jì)算 當(dāng)信號(hào)線間距越來(lái)越小并且耦合開始起作用時(shí)，差分阻抗就會(huì)逐漸減小。問(wèn)題的復(fù)雜性在于怎樣計(jì)算阻抗的變化情況，必須引入一些附加公式進(jìn)行分析。通常有如下5種分析方法： (1) 直接用近似的結(jié)果； (2) 直接使用場(chǎng)求解器方法得到的結(jié)果； (3) 使用基于模態(tài)的分析； (4) 使用基于電容和電感矩陣的分析； (5) 使用基于特性阻抗矩陣的分析。,差分

18、信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,差分線的端接 當(dāng)差分信號(hào)到達(dá)開路終端時(shí)，將會(huì)受到一個(gè)很大的阻抗并反射回來(lái)。如果不對(duì)此反射加以控制，它就可能會(huì)超過(guò)噪聲容限引起過(guò)度噪聲。減小反射的一種方法就是在差分對(duì)末端加上一個(gè)與差分匹配阻抗的電阻性阻抗。有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)端接T型結(jié)構(gòu)和型結(jié)構(gòu)。,圖11.14 差分對(duì)的 型端接和T型端接結(jié)構(gòu)(可以同時(shí)端接差分信號(hào)和共模信號(hào)),差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,差分信號(hào)的錯(cuò)位與失真 如果某些因素使得差分線中的一條受到影響而另一條未受到影響，差分信號(hào)就會(huì)失真，使得部分差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為共模信號(hào)。例如：差分線的不對(duì)稱、驅(qū)動(dòng)器端的偏斜、兩種差分驅(qū)動(dòng)器跳變時(shí)的錯(cuò)位等等。

19、下面兩圖分別反映了差分驅(qū)動(dòng)器跳變時(shí)的錯(cuò)位以及差分線的不對(duì)稱（一條走線比另一條多了一個(gè)容性負(fù)載）的情況下對(duì)差分信號(hào)質(zhì)量的影響。,圖11.15 錯(cuò)位從上升時(shí)間的20變化到2倍時(shí) 接收到的差分信號(hào)邊沿變化情況,圖11.16 差分線的一條線上存在一個(gè)1 pF的 容性負(fù)載時(shí)對(duì)差分信號(hào)的影響,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,錯(cuò)位和失真帶來(lái)的影響 錯(cuò)位和失真對(duì)差分信號(hào)的質(zhì)量影響不大，但是，它們卻對(duì)共模信號(hào)的質(zhì)量影響很大，而共模信號(hào)會(huì)顯著地增加EMI。并且，由于各種不對(duì)稱的因素存在，使得不管共模信號(hào)在遠(yuǎn)端是否被端接，都會(huì)有共模信號(hào)產(chǎn)生，從而導(dǎo)致EMI。圖11.17和11.18分別反映的就是共模信號(hào)在遠(yuǎn)端

20、未被端接與被端接兩種情況下電壓信號(hào)與差分信號(hào)及共模信號(hào)的關(guān)系。,圖11.17 差分信號(hào)端接共模信號(hào)開路時(shí) 電壓信號(hào)與差分信號(hào)及共模信號(hào)的關(guān)系,圖11.18 共模信號(hào)和差分信號(hào)都被端接時(shí) 遠(yuǎn)端的電壓信號(hào)與差分信號(hào)及共模信號(hào)的關(guān)系,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,需要注意的幾點(diǎn) (1) 微帶線或帶狀線中的不對(duì)稱、錯(cuò)位引起的失真與線間的耦合度無(wú)關(guān)，它可以發(fā)生在無(wú)耦合或緊耦合的兩條線之間。 (2) 任何非對(duì)稱性因素都會(huì)使差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成共模信號(hào)，這包括串?dāng)_、驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)位、線長(zhǎng)偏斜和非對(duì)稱負(fù)載。將錯(cuò)位保持在最小限度的一個(gè)重要原因，是保證差分信號(hào)向共模信號(hào)轉(zhuǎn)換最小。 (3) 很小的驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)位都能產(chǎn)生明顯

21、的共模信號(hào)。這就是要使所有非對(duì)稱降到最小的原因。,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,差分線的輻射干擾 在任何電路中都存在共模(CM)和差模(DM)電流。共模電流和差模電流都決定了傳播的RF能量的大小，在兩者之間有較大的區(qū)別。如果給定一對(duì)導(dǎo)線或走線、一個(gè)返回參考源，那么這兩種模式中的一種將存在，通常是都存在的。一般來(lái)說(shuō)，差分模式信號(hào)攜帶數(shù)據(jù)或有用信號(hào)(信息)。共模模式是差分模式的負(fù)面效果，并且對(duì)電磁兼容性是最麻煩的。 差模輻射 差分模式輻射是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)里的RF電流回路中電流的流動(dòng)引起的。對(duì)于一個(gè)小的環(huán)形接收天線，當(dāng)它在地平面之上的場(chǎng)中工作時(shí)(自由空間不是一個(gè)典型環(huán)境)，這個(gè)RF能量可以近似表示

22、為：,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,輻射傳播可以用一個(gè)攜帶RF干擾電流的小環(huán)形天線來(lái)模擬(圖11.19)。當(dāng)信號(hào)從源端傳到負(fù)載時(shí)，在能量返回系統(tǒng)中一定存在返回電流。一個(gè)小回路是一個(gè)尺寸比特定頻率下的波長(zhǎng)的1/4還小的回路，這個(gè)特定頻率就是在回路中流動(dòng)的RF電流的頻率。對(duì)于大部分PCB，一直到幾百M(fèi)Hz，與頻率對(duì)應(yīng)的小尺寸回路都存在。,圖11.19 電路組成部分之間的環(huán)路區(qū)域,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,共模輻射 共模輻射是由于在電路設(shè)計(jì)之外的電壓降造成的，該電壓降導(dǎo)致電路的一些接地的電壓比真實(shí)的參考地面高。與受影響的接地系統(tǒng)相連的電纜就作為天線，共模輻射(CM)的場(chǎng)分量。遠(yuǎn)場(chǎng)

23、分量可以描述為: 其中，L是天線長(zhǎng)度；Icm是共模電流；f是頻率；R是距離。 共模電流起源于公共金屬結(jié)構(gòu)(比如電源面和接地面)中的公共電流。其典型的發(fā)生條件是電流從導(dǎo)電平面內(nèi)意料之外的通路流過(guò)。當(dāng)返回的電流與它們?cè)瓉?lái)的信號(hào)通路不匹配(比如在平面內(nèi)有裂縫等)，或者幾個(gè)信號(hào)有公共返回區(qū)域，共模電流就產(chǎn)生了。由于這些平面具有有限的阻抗，共模電流就在上面建立起瞬時(shí)的RF電壓。這種RF瞬時(shí)電壓在其他導(dǎo)電平面和信號(hào)的屏蔽上建立了共模電流。,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,減小雙絞線上共模電流輻射的三種方法 (1) 將差分對(duì)之間的不對(duì)稱和驅(qū)動(dòng)器之間的錯(cuò)位降到最低，從而使差分信號(hào)到共模信號(hào)的轉(zhuǎn)化降到最低

24、限度。即在源端將問(wèn)題最小化。 (2) 采用屏蔽雙絞線，用屏蔽層做共模電流的返回路徑。 (3) 通過(guò)添加共模扼流器的辦法來(lái)增加共模電流路徑的阻抗。,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,干擾線對(duì)差分信號(hào)的影響 如果將一根單端傳輸線靠近差分對(duì)，那么由于來(lái)自動(dòng)態(tài)單端信號(hào)線的耦合，差分對(duì)的兩條信號(hào)線中都會(huì)出現(xiàn)信號(hào)電壓。并且差分對(duì)中距動(dòng)態(tài)線較近的那條線中會(huì)有較大的噪聲。差分對(duì)的耦合度越大，在兩信號(hào)線中產(chǎn)生的噪聲越趨于相等，差分噪聲就越少。下圖給出了在遠(yuǎn)端有差分端接，近端是一個(gè)典型的低阻抗驅(qū)動(dòng)器時(shí)，不同耦合的微帶線差分線的接收端的差分噪聲。,圖11.20 不同耦合差分線的差分噪聲,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

25、及其解決方案,在圖11.20中，緊耦合時(shí)的線間距等于線寬，弱耦合時(shí)的線間距是線寬的2倍。可以看出，差分線與攻擊線的距離越遠(yuǎn)，耦合到差分線上的噪聲就比近距離下耦合的噪聲稍小一些。 差分噪聲是兩條線上噪聲電平的差值。在圖11.20中，在弱耦合的被干擾差分線上，差分噪聲大約為1.3，在緊耦合的被干擾差分線上，差分噪聲只有該值的一半。緊耦合大約可將差分噪聲減少到50。 受害差分對(duì)中的共模噪聲是兩條線上的噪聲電壓的平均值。圖11.21示出了因共模信號(hào)沒(méi)有被端接產(chǎn)生了振鈴和失真，相鄰單端干擾線對(duì)差分線在兩種耦合方式下的共模噪聲。,圖11.21 共模信號(hào)沒(méi)有被端接時(shí)， 不同耦合的差分線的共模噪聲,差分信號(hào)設(shè)

26、計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,從圖中可以看出，當(dāng)差分線的耦合方式改變時(shí)，共模噪聲不會(huì)受到很大影響。緊耦合方式下(線間距等于線寬)，共模噪聲大約為2.1；弱耦合方式下(線間距等于線寬的2倍)，共模噪聲大約為1.5。 要注意的是，緊耦合會(huì)減少差分噪聲，但是會(huì)增加共模噪聲。串?dāng)_是在差分對(duì)上產(chǎn)生共模噪聲的一種典型方式。即使差分對(duì)做到完全對(duì)稱，串?dāng)_仍然會(huì)導(dǎo)致差分線上產(chǎn)生共模電壓。這就是為什么要在外接雙絞線電纜中加入共模扼流器的重要原因。 此外，通常我們使兩條信號(hào)線中產(chǎn)生的噪聲越趨于相等，差分噪聲就越少。這通常意味著要使攻擊線距差分對(duì)較遠(yuǎn)，并且使差分對(duì)緊密耦合。,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,返回路

27、徑中的間隙 返回路徑上的間隙可以分成故意的和非故意的。故意的間隙通常被用來(lái)隔離電路板上的某個(gè)區(qū)域，以及當(dāng)電源層被當(dāng)做參考層或采用分離的電源層時(shí)也會(huì)出現(xiàn)間隙。非故意的間隙例如返回路徑中出砂孔過(guò)分刻蝕和交疊。 如果單端信號(hào)感受到的間隙很寬，那么它將感受一個(gè)大的電感突變。下圖所示在阻抗50 歐姆傳輸線上兩端均有端接，當(dāng)返回路徑中間有一個(gè)1 in寬的間隙時(shí)，出現(xiàn)的100 ps的傳輸信號(hào)和反射信號(hào)波形。由于串聯(lián)電感間斷，原來(lái)僅為100 ps的上升時(shí)間急劇增加。,圖11.22 在返回路徑中間有一個(gè)1 in寬 的間隙時(shí)傳輸信號(hào)和反射信號(hào),差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,解決跨越間隙的辦法有兩種，一是采

28、用低電導(dǎo)的電容來(lái)跨越這個(gè)間隙是可行的，它能提供一個(gè)低阻抗的返回路徑，然而此時(shí)很難獲得良好的高頻性能。第二種可選方法就是采用差分線。圖11.23所示為信號(hào)穿過(guò)與上述相同的間隙時(shí)，仿真的傳輸差分信號(hào)和反射差分信號(hào)。其中傳輸差分信號(hào)的上升時(shí)間受到了保護(hù)。圖中差分信號(hào)的上升時(shí)間為100 ps。從圖中可以看出，差分信號(hào)穿過(guò)間隙時(shí)的失真很小。,圖11.23 傳輸和反射的差分信號(hào)穿過(guò) 返回平面中1 in寬間隙時(shí)的波形,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,緊密耦合與非緊密耦合的影響 采用非緊密耦合的好處 受害線上的共模電壓噪聲比強(qiáng)耦合時(shí)小 差分阻抗僅取決于每條單端信號(hào)線的阻抗，而與信號(hào)線 的間距無(wú)關(guān)。從而減

29、小了對(duì)信號(hào)線的限制，使電路板的布板約束和版圖設(shè)計(jì)更容易。 采用緊密耦合的好處 互連密度最大，電路板的功能密度最大并且板的成本也最 低。 受害差分對(duì)的差分噪聲比較小。 非理想的返回路徑的差分阻抗突變有所減弱。,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,奇模狀態(tài)與偶模狀態(tài)的影響 奇模阻抗與偶模阻抗 奇模阻抗：當(dāng)差分信號(hào)加到差分對(duì)上，它將使差分對(duì)處于奇模狀態(tài)。此時(shí)每條信號(hào)線的特性阻抗被稱為奇模特性阻抗，簡(jiǎn)稱為奇模阻抗。 偶模阻抗：當(dāng)共模信號(hào)加到差分對(duì)上，它將使差分信號(hào)處于偶模狀態(tài)。此時(shí)每條信號(hào)線的特性阻抗被稱為偶模特性阻抗,簡(jiǎn)稱為偶模阻抗。 差分阻抗與奇模阻抗、共模阻抗與偶模阻抗 差分阻抗與奇模阻抗的關(guān)

30、系 差分阻抗是奇模阻抗的2倍： 共模阻抗與偶模阻抗的關(guān)系 共模阻抗是偶模阻抗的1/2：,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,兩種模態(tài)對(duì)邊緣耦合微帶線的影響 在邊緣耦合微帶線中，兩種模態(tài)的傳播速率是不相同的。這是由于信號(hào)沿傳輸線傳播的速率是由電力線穿過(guò)的介質(zhì)的有效介電常數(shù)決定。有效介電常數(shù)越大，速率越慢。在微帶線中，介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)合值。因?yàn)槠潆娏€一部分處于介質(zhì)材料中，另一部分處于空氣中。場(chǎng)分布的精確模式和覆蓋電介質(zhì)材料的方式都會(huì)影響最終的有效電介質(zhì)常數(shù)的值和信號(hào)傳播的實(shí)際速率。奇模下，多數(shù)電力線分布于空氣中；偶模下，多數(shù)電力線分布于材料體內(nèi)。由于這個(gè)原因，奇模信號(hào)比偶模信號(hào)有一個(gè)稍微小一點(diǎn)的有效電介質(zhì)常數(shù)，因此傳輸更快。,圖11.24 微帶線和帶狀線中 奇模和偶模的電場(chǎng)分布情況,圖11.25 奇模和偶模的傳播速率,差分信號(hào)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其解決方案,遠(yuǎn)端噪聲 可以用奇模和偶模傳輸速率的不同來(lái)解釋遠(yuǎn)端噪聲。假設(shè)差分對(duì)的一根傳輸線加上從0 V向1 V的跳變電壓，另一條線接0 V，這就等同于給信號(hào)線1接單端信號(hào)，信號(hào)線2接零電位。信號(hào)線1為攻擊線，線2為受害線?？梢詫⒋穗妷耗Ｊ降刃橐云婺７绞絺鞑サ牟罘中盘?hào)和以偶模方