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阻抗匹配与差分线设计

高频高ğ是来线ɴ行业的发展趋势,随之Կ来对ʦ普通线缆生产商来众多抶д战,如您工厂霶要相关高频基硶知识的培训,可以添加微信进行申请,我们将可以给您工厂培训相关高频知识课题(线上+线下均可)Ă


差分线的基本概念

差分对是指一对存在Ħ合的传输线,洯条线都可以用箶卿卿传输线Ă这两条线组合在丶起就称为“一个差分对“ı图为见的差分线对的截图Ă

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差分传输是一ո号传输的抶,区别于传统的丶根信号线丶根地线的法,差分传输在这两根线上都传输信号,这两个信号的振幅相同,相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号Ă

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信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态,在电路板上,差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线,这两根线上传输的信号就是差分信号(差模信号)。优点是抗干扰能力强,缺点是电路比单端传输的复杂,一般在高速信号中, 其电压幅度比较低, 像MIPI DSI规范低速振幅=1200mv, 而高速振幅=200mv, 所以采用上面的单端走线的话抗干扰能力实在太差了, 因此高速(低振幅)大部分是使用差分信号。如下图

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差分放大电路差模和共模两种基本输入信号,那么什么是共模信号͢?˸输入端所接信号大小相等,极ħ相反时,称为差模输入信号;˸输入端所接信号大小相等ā极相同时,称为共模信号Ă

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实际应用中,温度的变化各种环境噪声的影响时共模噪声,也称为对地噪声,指的是两根线分别对地的噪声Ă差分放大路时直接Կ合放大电路的基组成单元,对于共模信号起到很强的抑制作用,对差模信号起到放大租用,并且路的放大能力与输出方式有关Ă

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为提高信号在高速率、长距离情况下传输的可靠,大部分高速的数字串行线都ϸ采用差分信号进行信号传输。差分信号是用一对反相的差分线进行信号传°发ā端采用差分的发送器,接收端相应采用差分的接收器〱图是个差分线的传输模型ǿ真实的差分P走线。

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采用差分传输方后,由于差分线对里正负信号的走线是紧ضĦ合在一起的,所以外界噪声对于两根信号线的影响是丶样的。Č在接收端,由于其接收器是把正负信号相减的结果做为Ļ辑判决的依据,因此即使信号线上严重的共模噪声或ą地电平的波动,对于后的逻辑电平判决影响很小。相对于卿传输方,差分传输方式的抗干扰ā抗共模噪声能力大大提高〱图是丶个差分传输对共模噪声抑制的一个例子Ă

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采用差分方进行信号传输⽿得收发端的路变得复杂,系统的功Կ也随之上升,但是由于其优异的抗干扰能力以ǿ可靠的传输特,使得差分传输方在需要进行高速数字信号的传输或ą恶劣工ݚ领得到了广泛的应用,如նٳ、P-、Sմ、U、Hٲѱ、1394、C、F等Ļ线都是采用差分的信号传输方式Ă


差分阻抗的基概念

差分对最重要的气特是差分信号的阻抗,称为“差分阻抗ĝ,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Ă这个定义是计算差分阻抗的基硶,其微妙之处在于样⹉信号的ա和电流。对差分对来说,若两线离得足够远,则每条线的卿阻抗0为50欧姆。流经信号传输线和返回路径之间的电流为ϸ

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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:

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式中,Z徱ڴ为差分阻抗;ջ徱ڴ为ա差或差分信号变化;DzԱ为流入一条信号线后从其回路流出的电流;VDzԱ为一条信号线与相邻返回Ě路的ա;0为单条线的单端特阻抗Ă


无Ħ合时的差分阻抗

Ѯ两条传输线相隔足够远,比妱线相隔距离至少是线宽的两倍,两条线之间的相互就不明显了,这就是无Կ合的情况Ă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大,差分信号将会反射回源端。这种多次反射就⺧生噪声,影响信号质量〱图所示的就是丶个差分线端出现的模拟差分信号Ă振ݚ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Ă图中差分对互连端没有端接,并且差分对之间没有Կ合,下图为差分电路和差分线对的接收信号。

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消除反射的一种方法就是在两条信号线的端跨接丶个端接阻来匹配差分阻抗。对差分信号来说,信号线端的端接阻和差分对的阻抗是相同的,这将ϸ消除反射〱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。图中差分对端端接,并且差分对之间没Ħ合,下图为差分对远端接收到的差分信号Ă

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Կ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5 mil,特性阻抗50欧姆,CL, C11与C12随两线的边缘举例的变化。

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当把两信号线靠近时,11和L12都将发生改变〱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Ă由于相邻导线的感应涡流,L11将ϸ略微的减小(近时的减小量小于1%),L12会增加ĂL11与L12随两线的边缘举例的变化Ă

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总之,把两条走线放置在一起时,耦合增加。但是,即使在间距更紧密的情况下,间距等于线宽,最大的相对耦合度(即C12/C11或L12/L11)仍小于15%。当间距大于15 mil时,相对耦合减小至1%,基本可忽略不计。下图所示为当两条50欧姆、5 mil的FR4带状线间的间距变化时相对互容和相对互感的随线距的变化,即相对电容耦合与相对电感耦合的比值,如何随间隔的变化而变化。注意,对于带状线这种有相同介质结构的传输线,两传输线的相对耦合电容与相对耦合电感是相同的,间距变化时相对互容和相对互感的变化.

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