阻抗匹配與差分線設(shè)計-文庫吧在線文庫
【正文】 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 → 差分信號在一對緊耦合差分對中傳播時，在返回路徑中對付串擾和突變的魯棒性更好 → 因為每個信號都有自己的回路，所以差分信號通過接插件或封裝時，不易受到開關(guān)噪聲的干擾 → 使用價格低廉的雙絞線即可實現(xiàn)較遠距離差分信號的傳輸 差分線的基本概念 ? 差分和共模 ?差分信號 Vdiff Vdiff定義為： 其中， V V2分別是信號線 1和信號線 2相對于共用返回路徑的信號電壓。流經(jīng)信號傳輸線和返回路徑之間的電流為： 式中， Ione為流入信號線并從返回路徑流出的電流； Vone為信號線與相鄰返 回路徑的電壓； Z0為信號線的單端特性阻抗。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。 當把兩信號線靠近時， C11和 C12都會改變。 圖 12 L11與 L12隨兩線邊緣舉例的變化 差分信號的阻抗分析與計算 總之，把兩條走線放置在一起時，耦合增加。 下面分析三種情況下，單根信號線的特性阻抗隨兩信號線間距的變化情況： 1） 當?shù)诙l信號線連接在返回路徑線上，例如 0V信號作用在線 2上，只有線 1被驅(qū)動。當兩條信號線互相靠近時，為了能夠驅(qū)動單端信號線更大的電容，這個電流將會增大。 11o n e R 1 1 0 n e o n e L 1 211 d ()d??? ? ? ? ? ????? VI V T C V V C CC t差分信號的阻抗分析與計算 圖 三種情況下信號線 1的單端特性阻抗隨兩信號線間距的變化情況 差分信號的阻抗分析與計算 當差分信號沿差分對傳播時，對它來說，阻抗是每條線與其回路間單端特性阻抗的串聯(lián)。此時返回路徑平面中的總電流為零，但是每條信號線底下的平面中有確定的局部電流分布。但是，隨著平面越移越遠，差分信號的返回電流在平面中的重疊程度也越來越大，當返回平面達到一個足夠遠的距離時，返回路徑電流重疊的程度達到使返回路徑電流消失的程度。下圖顯示出了屏蔽體的半徑增大時，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。此時平面在確定差分對差分阻抗時起到重要作用。如果不對此反射加以控制，它就可能會超過噪聲容限引起過度噪聲。此時每條信號線的特性阻抗被 稱為偶模特性阻抗 ,簡稱為偶模阻抗。 (2) 任何非對稱性因素都會使差分信號轉(zhuǎn)換成共模信號，這包括串擾、驅(qū)動器錯位、線長偏斜和非對稱負載。共模模式是差分模式的負面效果，并且對電磁兼容性是最麻煩的。遠場分量可以描述為 : 其中， L是天線長度； Icm是共模電流； f是頻率； R是距離。 (2) 采用屏蔽雙絞線，用屏蔽層做共模電流的返回路徑。 差分噪聲是兩條線上噪聲電平的差值。串擾是在差分對上產(chǎn)生共模噪聲的一種典型方式。 — 受害差分對的差分噪聲比較小。 差分信號設(shè)計中存在的問題 及其解決方案 ? PCB中的差分走線原則 ? 差分線對的設(shè)計規(guī)則 ? 規(guī)則一：兩個信號線必須等長。走線阻抗在整個長度范圍內(nèi)保持恒定是很 重要的，這就意味著耦合在整個長度內(nèi)要保持恒定， 因此走線之間的間隔也要保持不變。因此 如果要保證 EMI可控，應(yīng)該將環(huán)路的面積最小化。 (3) 時序定位精確。這通常意味著要使攻擊線距差分對較遠，并且使差分對緊密耦合。圖 25示出了因共模信號沒有被端接產(chǎn)生了振鈴和失真，相鄰單端干擾線對差分線在兩種耦合方式下的共模噪聲。差分對的耦合度越大，在兩信號線中產(chǎn)生的噪聲越趨于相等，差分噪聲就越少。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的 RF電壓。一個小回路是一個尺寸比特定頻率下的波長的 1/4還小的回路，這個特定頻率就是在回路中流動的 RF電流的頻率。 差分信號設(shè)計中存在的問題 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。 圖 19 錯位從上升時間的 20％變化到 2倍時 接收到的差分信號邊沿變化情況 圖 20 差分線的一條線上存在一個 1 pF的 容性負載時對差分信號的影響 差分信號設(shè)計中存在的問題 及其解決方案 ? 錯位和失真帶來的影響 錯位和失真對差分信號的質(zhì)量影響不大，但是，它們卻對共模信號的質(zhì)量影響很大，而共模信號會顯著地增加 EMI。在一般的差分信號的應(yīng)用中，為了避免引入來自地的噪音，也有采用一個阻值為 2倍 Zodd的電阻跨在差分對上的匹配方式，這個電阻就是差分電阻，它的值應(yīng)為奇模阻抗的二倍。 高頻信號是沿著電感最小的回路進行回流，差分線除了有對地的耦合外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強，那一種就成為主要的回流通路。當平面間距增加時，每條線在兩個平面內(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。當兩條雙絞線都近似位于屏蔽層的中心而由差分信號驅(qū)動時，它們的返回電流朝相反方向流動，并相互疊加，屏蔽層內(nèi)將沒有剩余電流分布。 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。圖中導(dǎo)線材料為 50歐姆、 5 mil寬的 FR4帶狀線。如果信號線 2加相反信號，則阻抗值會降低。 當線 1上的驅(qū)動開啟時，因為線 1與返回路徑間存在 dV11/dt，于是會產(chǎn)生一個穿過電容 C11的電流。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。帶狀線材料是 FR4，線寬 5 mil，特性阻抗 50歐姆。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。 on e on e 0?I V Zd i f f o n e o n ed i f f 0o n e o n e o n e2 22＝ ＝ ＝ ＝? ??V V VZZI I I差分信號的阻抗分析與計算 ? 無耦合時的差分阻抗 假設(shè)兩條傳輸線相隔足夠遠，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。這兩條線組合在一起就稱為“一個差分對”。較高的開啟時間 TON 會導(dǎo)致信號下沖；較高的正向偏值電壓 VF會產(chǎn)生時間上的抖動；較高的反向恢復(fù)時間 TRR 會提升信號的上升時間 TR。舉例來說，一長串比較接近的數(shù)據(jù)位會導(dǎo)致信號傳輸線和電容充電到驅(qū)動器的最高輸出電平的值，如果緊接著的是一個相位相反的數(shù)據(jù)位就需要花比正常情況更長的時間來確保信號跨越邏輯閾值電平。另外，單電阻方式由于驅(qū)動能力問題在一般的TTL、 CMOS系統(tǒng)中沒有應(yīng)用，
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