淺析差分信號(hào)的阻抗匹配

隨著近幾年來(lái)對(duì)速率的要求快速提高，串行總線(xiàn)由于有更好的抗干擾性和更少的信號(hào)線(xiàn)、更高的數(shù)據(jù)率而受到眾多設(shè)計(jì)者的青睞。而串行總線(xiàn)又尤以差分信號(hào)的方式最多，差分信號(hào)與普通的單信號(hào)走線(xiàn)相比有3個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：抗干擾能力強(qiáng)；能有效抑制EMI；時(shí)序定位精確，所以越來(lái)越多的系統(tǒng)采用差分信號(hào)進(jìn)行接收與傳輸。差分信號(hào)的傳輸需要一對(duì)傳輸線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么這對(duì)傳輸線(xiàn)又叫做差分對(duì)。能夠用單端傳輸線(xiàn)組成差分對(duì)的兩條傳輸線(xiàn)。和單端傳輸線(xiàn)相類(lèi)似，差分對(duì)傳輸有多種多樣的橫截面形狀。下圖我們列舉了最常見(jiàn)的幾種截面幾何外形。

差分傳輸之所以能夠抗干擾，這是因?yàn)閷?duì)兩個(gè)單端信號(hào)進(jìn)行差分檢測(cè)的時(shí)候，其噪聲有可能會(huì)抵消。只要外界對(duì)差分對(duì)中兩個(gè)單端信號(hào)上的干擾基本一致，就不會(huì)影響差分信號(hào)的傳輸。所以無(wú)論采取何種走線(xiàn)方式，關(guān)鍵是要控制兩條傳輸線(xiàn)周?chē)h(huán)境基本一致，并盡量減少其他信號(hào)干擾。理想情況下，差分信號(hào)是正負(fù)對(duì)稱(chēng)的，其共模份量為零或者只有直流份量，如下圖1所示。如果差分線(xiàn)的正負(fù)傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度不等，造成傳輸時(shí)間不一致，實(shí)際上就是信號(hào)在時(shí)間軸上的不對(duì)稱(chēng)，在終端負(fù)載電阻上就能觀察到圖2所示的波形。顯然此時(shí)的正負(fù)波形不能?chē)?yán)格對(duì)稱(chēng)，差分電路中的正負(fù)電流無(wú)法抵消，于是其電源中就有共模電流份量在流動(dòng)。如果研究過(guò)EMI的人都知道，共模輻射是最難對(duì)付的。

圖1

所以差分信號(hào)的阻抗匹配也就成為一個(gè)非常重要的問(wèn)題，目前，一般有兩種不同匹配的方式，即分別并聯(lián)匹配和單電阻跨接匹配。在通信過(guò)程中，有兩種原因?qū)е滦盘?hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)或者不匹配，信號(hào)在傳輸線(xiàn)末端突然遇到阻抗不匹配，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射。一旦產(chǎn)生反射，將會(huì)對(duì)需要的信號(hào)造成不同程度的影響，因此，應(yīng)盡最大努力去消除這種反射，其中的一種方法，就是讓終端電阻完全匹配。消除了反射，傳輸線(xiàn)上的能量就能全部被負(fù)載吸收，不再產(chǎn)生反射。那么，究竟是什么原因引起發(fā)射，為什么遇到阻抗不匹配時(shí)會(huì)發(fā)生反射呢？

無(wú)耦合時(shí)的差分阻抗

假設(shè)兩條傳輸線(xiàn)相隔足夠遠(yuǎn)，比如兩線(xiàn)相隔距離至少是線(xiàn)寬的兩倍，兩條線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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，下圖為差分電路和差分線(xiàn)對(duì)的遠(yuǎn)端接收信號(hào)。

消除反射的一種方法就是在兩條信號(hào)線(xiàn)的末端跨接一個(gè)端接電阻來(lái)匹配差分阻抗。對(duì)差分信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)線(xiàn)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(xiàn)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，下圖為差分對(duì)遠(yuǎn)端接收到的差分信號(hào)。

耦合時(shí)的差分阻抗

當(dāng)兩條帶狀線(xiàn)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(xiàn)靠近時(shí)，C11和C12都會(huì)改變。當(dāng)信號(hào)線(xiàn)1與其返回路徑的一些邊緣區(qū)域被相鄰信號(hào)線(xiàn)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(xiàn)材料是FR4，線(xiàn)寬5 mil，特性阻抗50歐姆，CL, C11與C12隨兩線(xiàn)的邊緣舉例的變化。

當(dāng)把兩信號(hào)線(xiàn)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(xiàn)的邊緣舉例的變化。由于相鄰導(dǎo)線(xiàn)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。L11與L12隨兩線(xiàn)的邊緣舉例的變化。

總之，把兩條走線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)間的間距變化時(shí)相對(duì)互容和相對(duì)互感的隨線(xiàn)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(xiàn)這種有相同介質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳輸線(xiàn)，兩傳輸線(xiàn)的相對(duì)耦合電容與相對(duì)耦合電感是相同的,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)線(xiàn)由于傳輸過(guò)程中存在差分模式和共模模型兩種情況，所以存在各自的匹配，如果哪一種模式不匹配，那么這種模式就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)震蕩。通常我們工作在奇模模式下，所以不太關(guān)注共模匹配，因?yàn)槔硐肭闆r下，共模電壓為理想的DC電平，不匹配影響不大，如果共模噪聲較大，還是需要對(duì)共模阻抗進(jìn)行匹配。如何控制線(xiàn)材的差分轉(zhuǎn)共模參數(shù)詳解