【文章內(nèi)容簡介】 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(qiáng)。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。 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。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。 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。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。 圖 13 間距變化時相對互容和相對互感的變化 差分信號的阻抗分析與計算 當(dāng)兩傳輸線相隔較遠(yuǎn)時，線 1的特性阻抗完全與另一條線無關(guān)。特性阻抗與 C11呈反比關(guān)系： 式中， Z0為線上的特性阻抗； C11為信號線與返回通路之間的電容。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)”。 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(dāng)?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。 那么線 1的阻抗將取決于負(fù)載電容。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%。 0 111?ZC0 11 12 L11???Z C C C差分信號的阻抗分析與計算 2） 第二條走線也被驅(qū)動并且信號與線 1相反，例如線 1上的信號從 0 V上升到 1 V，線 2上的信號從 0 V下降到 1 V。 當(dāng)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。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。這個變化的電壓將是線 1與其回路上電壓的兩倍，即V12 = 2V11。流經(jīng)信號線的電流將由下式?jīng)Q定： 因為兩條信號線由方向相反的兩個跳變信號驅(qū)動，電流從驅(qū)動流入線 1，然后流向返回路徑。當(dāng)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。 1 1 1 2o n e R 1 1 o n e 1 2 o n e o n e L 1 21 1 1 2dd 2 ( )dd??? ? ? ? ? ? ??????VVI V T C V C V V C CCC tt差分信號的阻抗分析與計算 3） 假設(shè)給第二條信號線加上與第一條信號線相同的信號，由于兩條信號線之間不存在電壓差，所以對驅(qū)動來說，只有電容 C11存在，這就意味著要驅(qū)動的電容減小了。此時流經(jīng)信號線 1的電流為： 由上面的分析可知，當(dāng)?shù)诙l臨近信號線存在時，信號線 1的特性阻抗不是一個特定的值，這個值還取決于臨近信號線的驅(qū)動情況。如果信號線 2被固定在 0電位，則阻抗接近于無耦合時的值。如果信號線 2加相反信號，則阻抗值會降低。如果信號線 2加相同電壓，則阻抗值會升高。 圖 給出了這三種情況下，信號線 1的單端特性阻抗隨兩信號線間距的變化情況。圖中傳輸線為 50歐姆、 5 mil寬的 FR4帶狀線。 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(dāng)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)。差分信號驅(qū)動在這兩條信號線上驅(qū)動兩個相反的信號。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。圖 14示出了兩線間距減小時差分阻抗的變化情況。圖中導(dǎo)線材料為 50歐姆、 5 mil寬的 FR4帶狀線。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%。 圖 14 減小兩線的間距時 50歐姆帶狀線的差分阻抗變化情況 差分信號的阻抗分析與計算 ? 返回電流分布對阻抗的影響 當(dāng)差分對的兩信號線間距比較大時，兩線間的耦合度比較小，在這種情況下，如果用差分信號來驅(qū)動它們，除了信號線中會出現(xiàn)電流外，返回平面中也會出現(xiàn)與之大小相等，方向相反的電流。并且返回平面中的電流不會出現(xiàn)重疊。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。任何改變電流分布的因素都將會改變差分對的差分阻抗。 對一對共用返回導(dǎo)體的單端傳輸線來說，如果返回導(dǎo)體距信號線足夠遠(yuǎn)，那么差分信號的返回導(dǎo)體電流分布就會相互重疊，相互抵消。此時返回路徑導(dǎo)體的存在對差分阻抗產(chǎn)生不了任何影響。 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。 差分信號的阻抗分析與計算 ? 邊緣耦合的微帶線 若邊緣耦合微帶線的兩線間距達(dá)到可制造的最小值，通常這個典型值為線寬，則兩線的耦合度最大。則返回平面上有明顯電流的分布，平面的存在影響了差分阻抗。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。但是，隨著平面越移越遠(yuǎn)，差分信號的返回電流在平面中的重疊程度也越來越大，當(dāng)返回平面達(dá)到一個足夠遠(yuǎn)的距離時，返回路徑電流重疊的程度達(dá)到使返回路徑電流消失的程度。此時，返回路徑平面的存在將不會再影響差分阻抗。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