差分信號的阻抗匹配

隨著近幾年來對速率的要求快速提高，串行總線由于有更好的抗干擾性和更少的信號線、更高的數(shù)據(jù)率而受到眾多設(shè)計者的青睞。而串行總線又尤以差分信號的方式最多，差分信號與普通的單信號走線相比有3個明顯的優(yōu)勢：抗干擾能力強；能有效抑制EMI；時序定位精確，所以越來越多的系統(tǒng)采用差分信號進(jìn)行接收與傳輸。差分信號的傳輸需要一對傳輸線來實現(xiàn)，那么這對傳輸線又叫做差分對。能夠用單端傳輸線組成差分對的兩條傳輸線。和單端傳輸線相類似，差分對傳輸有多種多樣的橫截面形狀。下圖我們列舉了最常見的幾種截面幾何外形。

差分傳輸之所以能夠抗干擾，這是因為對兩個單端信號進(jìn)行差分檢測的時候，其噪聲有可能會抵消。只要外界對差分對中兩個單端信號上的干擾基本一致，就不會影響差分信號的傳輸。所以無論采取何種走線方式，關(guān)鍵是要控制兩條傳輸線周圍環(huán)境基本一致，并盡量減少其他信號干擾。理想情況下，差分信號是正負(fù)對稱的，其共模份量為零或者只有直流份量，如下圖1所示。如果差分線的正負(fù)傳輸線長度不等，造成傳輸時間不一致，實際上就是信號在時間軸上的不對稱，在終端負(fù)載電阻上就能觀察到圖2所示的波形。顯然此時的正負(fù)波形不能嚴(yán)格對稱，差分電路中的正負(fù)電流無法抵消，于是其電源中就有共模電流份量在流動。如果研究過EMI的人都知道，共模輻射是最難對付的。

圖1

所以差分信號的阻抗匹配也就成為一個非常重要的問題，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。在通信過程中，有兩種原因?qū)е滦盘柗瓷洌鹤杩共贿B續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)或者不匹配，信號在傳輸線末端突然遇到阻抗不匹配，信號在這個地方就會引起反射。一旦產(chǎn)生反射，將會對需要的信號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會發(fā)生反射呢？

無耦合時的差分阻抗

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，這就是無耦合的情況。如果一個差分信號沿差分對傳輸?shù)竭_(dá)接收終端，那么終端的差分阻抗非常大，差分信號將會反射回源端。這種多次反射就會產(chǎn)生噪聲，影響信號質(zhì)量。下圖所示的就是一個差分線末端出現(xiàn)的模擬差分信號。振鈴的出現(xiàn)是由于差分信號在低阻抗的驅(qū)動器和高阻抗的線端之間的多重反彈。圖中差分對互連末端沒有端接，并且差分對之間沒有耦合，下圖為差分電路和差分線對的遠(yuǎn)端接收信號。

消除反射的一種方法就是在兩條信號線的末端跨接一個端接電阻來匹配差分阻抗。對差分信號來說，信號線末端的端接電阻和差分對的阻抗是相同的，這將會消除反射。下圖就是在兩信號線之間加入100歐姆電阻后，接收端的差分信號。圖中差分對末端有端接，并且差分對之間沒有耦合，下圖為差分對遠(yuǎn)端接收到的差分信號。

耦合時的差分阻抗

當(dāng)兩條帶狀線相距越來越近時，它們邊緣的電場和磁場會重疊，二者之間的耦合程度也會越來越強。耦合程度用單位長度上的互感電容C12與互感電感L12表示。當(dāng)把兩信號線靠近時，C11和C12都會改變。當(dāng)信號線1與其返回路徑的一些邊緣區(qū)域被相鄰信號線干擾時，C11將減小，C12會增加。但是，負(fù)載電容CL= C11+ C12改變不大。下圖所示為單位長度上負(fù)載電容CL、單位長度對角電容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，CL, C11與C12隨兩線的邊緣舉例的變化。

當(dāng)把兩信號線靠近時，L11和L12都將發(fā)生改變。下圖所示為單位長度上環(huán)路自感L11的變化和單位長度上環(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將會有略微的減小(最近時的減小量小于1％)，L12會增加。L11與L12隨兩線的邊緣舉例的變化。

總之，把兩條走線放置在一起時，耦合增加。但是，即使在間距更緊密的情況下，間距等于線寬，最大的相對耦合度(即C12/C11或L12/L11)仍小于15%。當(dāng)間距大于15 mil時，相對耦合減小至1%，基本可忽略不計。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相對互容和相對互感的隨線距的變化，即相對電容耦合與相對電感耦合的比值，如何隨間隔的變化而變化。注意，對于帶狀線這種有相同介質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳輸線，兩傳輸線的相對耦合電容與相對耦合電感是相同的,間距變化時相對互容和相對互感的變化.

差分信號線由于傳輸過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，那么這種模式就會出現(xiàn)信號震蕩。通常我們工作在奇模模式下，所以不太關(guān)注共模匹配，因為理想情況下，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，還是需要對共模阻抗進(jìn)行匹配。