高速电路的差分线设计

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1、高速电路信号完整性分析与设计电子工业出版社教材配套电子教案第十一章高速电路的差分线设计差分线的基本概念差分信号的阻抗分析与计算差分信号设计中存在的问题及其解决方案差分线的基本概念差分信号的定义一个差分信号(DifferentialSignaling是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。差分信号的传输是利用两个输出来驱动两条传输线。一根携带信号，另一根携带它的互补信号。所需的信号就是两条传输线上的电压差，它携带要传输的信息。图11.1单端信

2、号和差分信号差分线的基本概念差分信号传输与单端信号传输相比有如下优点：输出驱动总的会比单端信号线上的大幅降低，从而减少了轨道塌陷和潜在的电磁干扰(EMI)与单端放大器相比，接收器中的差分放大器有着更高的增益差分信号在一对紧耦合差分对中传播时，在返回路径中对付串扰和突变的鲁棒性更好因为每个信号都有自己的回路，所以差分信号通过接插件或封装时，不易受到开关噪声的干扰使用价格低廉的双绞线即可实现较远距离差分信号的传输差分线的基本概念差分和共模差分信号VdiffVdiff定义为：其中，V1、V2分别是信号线1和信号线2相对于共用返回路径的

3、信号电压。共模信号VcommVcomm定义为：即共模信号用两条信号线上平均电压表示。其中，V1、V2分别是信号线1和信号线2相对于共用返回路径的信号电压。差分线的基本概念奇模和偶模差分对的模态是用来定义特殊的电压模式，它是差分线对的固有性质。当差分对以这两种模态激励时，它上面的信号就可以实现无失真的传输。两条传输线上有相同驱动电压的为偶模，有相反驱动电压的为奇模。图11.2两条边缘耦合微带传输线上的电压模式差分线的基本概念差分对和差分阻抗差分对差分对是指一对存在耦合的传输线，每条线都可以用简单的单端传输线。这两条线组合在一起就称

4、为“一个差分对”。图11.3几种最常见的差分线对的截面图差分线的基本概念差分阻抗差分对最重要的电气特性是差分信号的阻抗，称为“差分阻抗”，即差分对对差分信号的阻抗，是差分信号电压与其电流的比值。这个定义是计算差分阻抗的基础，其微妙之处在于怎样定义信号的电压和电流。对差分对来说，若两线离得足够远，则每条线的单端阻抗Z0为50欧姆。流经信号传输线和返回路径之间的电流为：式中，Ione为流入信号线并从返回路径流出的电流；Vone为信号线与相邻返回路径的电压；Z0为信号线的单端特性阻抗。传输线上的跳变差分信号是两条信号线上的差信号。它的

5、电压是每条信号线上电压的两倍：2×Vone。根据阻抗的定义，差分信号的阻抗为:式中，Zdiff为差分阻抗；Vdiff为电压差或差分信号变化；Ione为流入一条信号线后从其回路流出的电流；Vone为一条信号线与相邻返回通路的电压；Z0为单条线的单端特性阻抗。差分信号的阻抗分析与计算无耦合时的差分阻抗假设两条传输线相隔足够远，比如两线相隔距离至少是线宽的两倍，两条线之间的相互作用就不明显了，这就是无耦合的情况。如果一个差分信号沿差分对传输到达接收终端，那么终端的差分阻抗非常大，差分信号将会反射回源端。这种多次反射就会产生噪声，影响信

6、号质量。下图所示的就是一个差分线末端出现的模拟差分信号。振铃的出现是由于差分信号在低阻抗的驱动器和高阻抗的线端之间的多重反弹。图中差分对互连末端没有端接，并且差分对之间没有耦合。图11.4差分电路和差分线对的远端接收信号差分信号的阻抗分析与计算消除反射的一种方法就是在两条信号线的末端跨接一个端接电阻来匹配差分阻抗，其电阻值必须为。对差分信号来说，信号线末端的端接电阻和差分对的阻抗是相同的，这将会消除反射。下图就是在两信号线之间加入100欧姆电阻后，接收端的差分信号。图中差分对末端有端接，并且差分对之间没有耦合。图11.5差分对远

7、端接收到的差分信号差分信号的阻抗分析与计算耦合时的差分阻抗当两条带状线相距越来越近时，它们边缘的电场和磁场会重叠，二者之间的耦合程度也会越来越强。耦合程度用单位长度上的互感电容C12与互感电感L12表示。当把两信号线靠近时，C11和C12都会改变。当信号线1与其返回路径的一些边缘区域被相邻信号线干扰时，C11将减小，C12会增加。但是，负载电容CL=C11+C12改变不大。下图所示为单位长度上负载电容CL、单位长度对角电容C11及耦合电容C12的变化情况。带状线材料是FR4，线宽5mil，特性阻抗50欧姆。图11.6CL,C11

8、与C12随两线的边缘举例的变化差分信号的阻抗分析与计算当把两信号线靠近时，L11和L12都将发生改变。下图所示为单位长度上环路自感L11的变化和单位长度上环路互感L12随两线的边缘举例的变化。由于相邻导线的感应涡流，L11将会有略微的减小(最近时的减小量小于1％