【正文】 ? 規(guī)則二：差分線的布線要緊密。這就是為什么要在外接雙絞線電纜中加入共模扼流器的重要原因。 差分信號設(shè)計中存在的問題 及其解決方案 ? 干擾線對差分信號的影響 如果將一根單端傳輸線靠近差分對，那么由于來自動態(tài)單端信號線的耦合，差分對的兩條信號線中都會出現(xiàn)信號電壓。對于一個小的環(huán)形接收天線，當(dāng)它在地平面之上的場中工作時 (自由空間不是一個典型環(huán)境 )，這個 RF能量可以近似表示為： 16 2 s263 10 ( ) ( )?? ? ? ? ?E f A I I r差分信號設(shè)計中存在的問題 及其解決方案 輻射傳播可以用一個攜帶 RF干擾電流的小環(huán)形天線來模擬 (圖 23)。例如：差分線的不對稱、驅(qū)動器端的偏斜、兩種差分驅(qū)動器跳變時的錯位等等。這種情況下平面影響不了差分信號，將它移走不會影響到差分阻抗。如下圖所示： 圖 15 不同距離時邊緣耦合微帶線的單端阻抗和差分阻抗變化 差分信號的阻抗分析與計算 ? 雙絞線電纜 對屏蔽雙絞線來說，每條信號線的返回路徑都是屏蔽層。正如上面所提到的，此時每條線的阻抗將因為彼此的耦合而減小，而差分阻抗仍是每條線特性阻抗的兩倍。驅(qū)動線的特性阻抗和驅(qū)動線上單位長度的電容有關(guān)： 當(dāng)兩條信號線越靠越近時，線 1的阻抗將減小，但減小幅度不到 1%。但是，負(fù)載電容 CL = C11+ C12改變不大。它的電壓是每條信號線上電壓的兩倍： 2 Vone。由于能量會通過二極管到電源和二極管到地的消耗，信號的反射會逐漸衰減，能量的損耗限制了信號反射的幅度，以維持信號的完整性。 ? 缺點：是會帶來直流功耗：單電阻方式的直流功耗與信號的占空比緊密相關(guān)？；雙電阻方式則無論信號是高電平還是低電平都有直流功耗。如果 R 同傳輸線的特征阻抗 Z0 匹配，那么匹配電阻將吸收造成信號反射的能量，而不管匹配電壓的值。 阻抗匹配 ? 阻抗匹配方式 ? 在高速的設(shè)計中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號的質(zhì)量優(yōu)劣。 ? 阻抗不匹配會有什么不良后果？ ? 在高速的設(shè)計中，阻抗的匹配與否關(guān)系到信號的質(zhì)量優(yōu)劣如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；會在傳輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱），導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。因此，對 TTL或 CMOS電路來說，不可能有十分正確的匹配電阻，只能折中考慮。 圖 5 戴維南終端匹配 阻抗匹配 ? 考慮到芯片的驅(qū)動能力，兩個電阻值的選擇必須遵循三個原則： ? 規(guī)則一： 兩電阻的并聯(lián)值與傳輸線的特征阻抗相等； ? 規(guī)則一： 與電源連接的電阻值不能太小，以免信號為低電平時驅(qū)動電流過大； ? 規(guī)則一： 與地連接的電阻值不能太小，以免信號為高電平時驅(qū)動電流過大。傳輸線末端的信號反射，導(dǎo)致負(fù)載輸入端上的電壓升高超過 VCC 和二極管 D1 的正向偏值電壓，使得該二極管正向?qū)ㄟB接到 VCC 上，從而將信號的過沖嵌位在 VCC 和二極管的閾值電壓的和上。對差分對來說，若兩線離得足夠遠(yuǎn)，則每條線的單端阻抗 Z0為 50歐姆。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)信號線相距非常近時，臨近信號線的存在會影響線 1的阻抗，這被稱為“臨近效應(yīng)”。圖中傳輸線為 50歐姆、 5 mil寬的 FR4帶狀線。如果將平面移到更遠(yuǎn)，每條線的單端特性阻抗增加，差分阻抗也會增加。 圖 17 平面間距增加時信號線與平面間的 單端特性阻抗和兩信號線間差分阻抗的變化 差分信號的阻抗分析與計算 ? 小結(jié)： 上述三種典型的情況說明了差分對一個非常重要的性質(zhì)：當(dāng)信號線與返回平面間的耦合度大于兩信號線間的耦合度時，返回路徑平面中將會出現(xiàn)明顯的返回電流。 — 偶模阻抗： 當(dāng)共模信號加到差分對上，它將使差分信號處 于偶模狀態(tài)。一般來說，差分模式信號攜帶數(shù)據(jù)或有用信號 (信息 )。即在源端將問題最小化。 要注意的是，緊耦合會減少差分噪聲，但是會增加共模噪聲。 (3) 認(rèn)為差分走線一定要靠得很近。在 高速環(huán)境中，差分線間的間距越近，走線下方感應(yīng)的 電流環(huán)路面積就越小，對 EMI更好控制。 差分信號設(shè)計中存在的問題 及其解決方案 ? 緊密耦合與非緊密耦合的影響 ? 采用非緊密耦合的好處 — 受害線上的共模電壓噪聲比強耦合時小 — 差分阻抗僅取決于每條單端信號線的阻抗，而與信號線 的間距無關(guān)。下圖給出了在遠(yuǎn)端有差分端接，近端是一個典型的低阻抗驅(qū)動器時，不同耦合的微帶線差分線的接收端的差分噪聲。對于大部分 PCB，一直到幾百 MHz，與頻率對應(yīng)的小尺寸回路都存在。并且，由于各種不對稱的因素存在，使得不管共模信號在遠(yuǎn)端是否被端接，都會有共模信號產(chǎn)生，從而導(dǎo)致 EMI。在 PCB電路設(shè)計中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占 10~20%的耦合度，更多的還是對地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。此時屏蔽線產(chǎn)生不了電效應(yīng)作用，對差分阻抗沒有影響。對帶狀線來說，相比于間距等于 3倍線寬的無耦合情況，在可制造的最小間距 (如間距等于線寬 )下，存在耦合時的差分阻抗也僅僅減小約 12%。同時，因為兩線之間的電壓變化 dV12/dt，同樣有電流從線 1流向線 2。 圖 11 CL, C11與 C12隨兩線的邊緣舉例的變化 差分信號的阻抗分析與計算 當(dāng)把兩信號線靠近時， L11和 L12都將發(fā)生改變。 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。同時多次信號反射的存在可能會影響后續(xù)信號的波形，所以必須驗證二極管在開關(guān)頻率上的響應(yīng)。 阻抗匹配 ? AC 終端匹配技術(shù) AC 終端匹配技術(shù)也稱之為 RC終端匹配技術(shù)，它是由一個電阻 R 和一個電容 C 組成的，電阻 R 和電容 C 連接在傳輸線的負(fù)載一端。所以，對于 50%占空比的信號而言，將終端匹配到 VCC 要優(yōu)于將終端匹配到地。 ?串聯(lián)終端匹配 ?并聯(lián)終端匹配 ?戴維南終端匹配 ?AC 終端匹配 ?肖特基二極管終端匹配技術(shù) 阻抗匹配 ? 串聯(lián)終端匹配 串聯(lián)終端匹配串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點是在信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號的源端和傳輸線之間串接一個電阻 R，使源端的輸出阻抗與傳輸線 的特征阻抗相匹配，抑制從負(fù)載端反射回來的信號發(fā)生再次反射。 這是在無損耗條件下描述的，電阻上熱損耗和介質(zhì)損耗都被忽略了的，也就是直流電壓變化和漏電引起的電壓波形畸變都未考慮在內(nèi)。選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡單，就是要求匹配電阻值與驅(qū)動器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。