高速电路的差分线设计.ppt

高速电路信号完整性分析与设计 电子工业出版社教材 配套电子教案 第十一章 高速电路的差分线设计 l差分线的基本概念 l差分信号的阻抗分析与计算 l差分信号设计中存在的问题及其解决方案 差分线的基本概念 l 差分信号的定义 一个差分信号(Differential Signaling是用一个数值来表示两个物理量 之间的差异。从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电 压只能是相对于另一个电压而言的。差分信号的传输是利用两个输出来驱 动两条传输线。一根携带信号，另一根携带它的互补信号。所需的信号就 是两条传输线上的电压差，它携带要传输的信息。 图11.1 单端信号和差分信号 差分线的基本概念 差分信号传输 与单端信号传输相比有如下优点： 输出驱动总的 会比单端信号线上的大幅降低，从而减少了轨 道塌陷和潜在的电磁干扰(EMI) 与单端放大器相比，接收器中的差分放大器有着更高的增益 差分信号在一对紧耦合差分对中传播时，在返回路径中对付串 扰和突变的鲁棒性更好 因为每个信号都有自己的回路，所以差分信号通过接插件或封 装时，不易受到开关噪声的干扰 使用价格低廉的双绞线即可实现较远距离差分信号的传输 差分线的基本概念 l 差分和共模 差分信号Vdiff Vdiff定义为： 其中，V1、V2分别是信号线1和信号线2相对于共用返回路径的信号 电压。 共模信号Vcomm Vcomm定义为： 即共模信号用两条信号线上平均电压表示。其中，V1、V2分别是 信号线1和信号线2相对于共用返回路径的信号电压。 差分线的基本概念 l 奇模和偶模 差分对的模态是用来定义特殊的电压模式，它是差分线对的固有性 质。当差分对以这两种模态激励时，它上面的信号就可以实现无失真的 传输。两条传输线上有相同驱动电压的为偶模，有相反驱动电压的为奇 模。 图11.2 两条边缘耦合微带传输线上的电压模式 差分线的基本概念 l差分对和差分阻抗 差分对 差分对是指一对存在耦合的传输线，每条线都可以用简单的单端 传输线。这两条线组合在一起就称为“一个差分对”。 图11.3 几种最常见的差分线对的截面图 差分线的基本概念 差分阻抗 差分对最重要的电气特性是差分信号的阻抗，称为“差分阻抗”，即差分对对 差分信号的阻抗，是差分信号电压与其电流的比值。这个定义是计算差分阻抗的 基础，其微妙之处在于怎样定义信号的电压和电流。对差分对来说，若两线离得 足够远，则每条线的单端阻抗Z0为50欧姆。流经信号传输线和返回路径之间的电 流为： 式中，Ione为流入信号线并从返回路径流出的电流；Vone为信号线与相邻返 回路径 的电压；Z0为信号线的单端特性阻抗。 传输线上的跳变差分信号是两条信号线上的差信号。它的电压是每条信号线 上电压的两倍：2 Vone。根据阻抗的定义，差分信号的阻抗为: 式中，Zdiff为差分阻抗；Vdiff为电压差或差分信号变化；Ione为流入一条信号线后 从其回路流出的电流；Vone为一条信号线与相邻返回通路的电压；Z0为单条线的 单端特性阻抗。 差分信号的阻抗分析与计算 l 无耦合时的差分阻抗 假设两条传输线相隔足够远，比如两线相隔距离至少是线宽的两倍， 两条线之间的相互作用就不明显了，这就是无耦合的情况。 如果一个差分信号沿差分对传输到达接收终端，那么终端的差分阻抗 非常大，差分信号将会反射回源端。这种多次反射就会产生噪声，影响信 号质量。下图所示的就是一个差分线末端出现的模拟差分信号。振铃的出 现是由于差分信号在低阻抗的驱动器和高阻抗的线端之间的多重反弹。图 中差分对互连末端没有端接，并且差分对之间没有耦合。 图11.4 差分电路和差分线对的远端接收信号 差分信号的阻抗分析与计算 消除反射的一种方法就是在两条信号线的末端跨接一个端接电阻来匹 配差分阻抗，其电阻值必须为 。对差分信号来说，信号线末端的端接电 阻和差分对的阻抗是相同的，这将会消除反射。下图就是在两信号线之 间加入100欧姆电阻后，接收端的差分信号。图中差分对末端有端接，并 且差分对之间没有耦合。 图11.5 差分对远端接收到的差分信号 差分信号的阻抗分析与计算 l 耦合时的差分阻抗 当两条带状线相距越来越近时，它们边缘的电场和磁场会重叠，二者之间的耦 合程度也会越来越强。耦合程度用单位长度上的互感电容C12与互感电感L12表示。 当把两信号线靠近时，C11和C12都会改变。当信号线1与其返回路径的一些边缘 区域被相邻信号线干扰时，C11将减小，C12会增加。但是，负载电容CL = C11+ C12改 变不大。下图所示为单位长度上负载电容CL、单位长度对角电容C11及耦合电容C12 的变化情况。带状线材料是FR4，线宽5 mil，特性阻抗50欧姆。 图11.6 CL, C11与C12随两线的边缘举例的变化 差分信号的阻抗分析与计算 当把两信号线靠近时，L11和L12都将发生改变。下图所示为单位长度 上环路自感L11的变化和单位长度上环路互感L12随两线的边缘举例的变化 。由于相邻导线的感应涡流，L11将会有略微的减小(最近时的减小量小于 1)，L12会增加。 图11.7 L11与L12随两线边缘举例的变化 差分信号的阻抗分析与计算 总之，把两条走线放置在一起时，耦合增加。但是，即使在间距更紧 密的情况下，间距等于线宽，最大的相对耦合度(即C12/C11或L12/L11)仍小 于15%。当间距大于15 mil时，相对耦合减小至1%，基本可忽略不计。下 图所示为当两条50欧姆、5 mil的FR4带状线间的间距变化时相对互容和相 对互感的随线距的变化，即相对电容耦合与相对电感耦合的比值，如何随 间隔的变化而变化。注意，对于带状线这种有相同介质结构的传输线，两 传输线的相对耦合电容与相对耦合电感是相同的。 图11.8 间距变化时相对互容和相对互感的变化 差分信号的阻抗分析与计算 当两传输线相隔较远时，线1的特性阻抗完全与另一条线无关。特性阻 抗与C11呈反比关系： 式中，Z0为线上的特性阻抗；C11为信号线与返回通路之间的电容。当 信号线相距非常近时，临近信号线的存在会影响线1的阻抗，这被称为“临 近效应”。 下面分析三种情况下，单根信号线的特性阻抗随两信号线间距的变化 情况： 1）当第二条信号线连接在返回路径线上，例如0V信号作用在线2上， 只有线1被驱动。 那么线1的阻抗将取决于负载电容。驱动线的特性阻抗和驱动线上单位 长度的电容有关： 当两条信号线越靠越近时，线1的阻抗将减小，但减小幅度不到1%。 差分信号的阻抗分析与计算 2） 第二条走线也被驱动并且信号与线1相反，例如线1上的信号从0 V上 升到1 V，线2上的信号从0 V下降到-1 V。 当线1上的驱动开启时，因为线1与返回路径间存在dV11/dt，于是会产 生一个穿过电容C11的电流。同时，因为两线之间的电压变化dV12/dt，同样 有电流从线1流向线2。这个变化的电压将是线1与其回路上电压的两倍，即 V12 = 2V11。流经信号线的电流将由下式决定： 因为两条信号线由方向相反的两个跳变信号驱动，电流从驱动流入线1， 然后流向返回路径。当两条信号线互相靠近时，为了能够驱动单端信号线更 大的电容，这个电流将会增大。 差分信号的阻抗分析与计算 3）假设给第二条信号线加上与第一条信号线相同的信号，由于两条信号 线之间不存在电压差，所以对驱动来说，只有电容C11存在，这就意味着要 驱动的电容减小了。此时流经信号线1的电流为： 由上面的分析可知，当第二条临近信号线存在时，信号线1的特性阻抗 不是一个特定的值，这个值还取决于临近信号线的驱动情况。如果信号线2 被固定在0电位，则阻抗接近于无耦合时的值。如果信号线2加相反信号，则 阻抗值会降低。如果信号线2加相同电压，则阻抗值会升高。 图11.9 给出了这三种情况下，信号线1的单端特性阻抗随两信号线间距的 变化情况。图中传输线为50欧姆、5 mil宽的FR4带状线。 差分信号的阻抗分析与计算 图11.9 三种情况下信号线1的单端特性阻 抗随两信号线间距的变化情况 差分信号的阻抗分析与计算 当差分信号沿差分对传播时，对它来说，阻抗是每条线与其回路间单端 特性阻抗的串联。差分信号驱动在这两条信号线上驱动两个相反的信号。正 如上面所提到的，此时每条线的阻抗将因为彼此的耦合而减小，而差分阻抗 仍是每条线特性阻抗的两倍。图11.10示出了两线间距减小时差分阻抗的变 化情况。图中导线材料为50欧姆、5 mil宽的FR4带状线。对带状线来说，相 比于间距等于3倍线宽的无耦合情况，在可制造的最小间距(如间距等于线宽 )下，存在耦合时的差分阻抗也仅仅减小约12%。 图11.10 减小两线的间距时50欧姆带状线的差分阻抗变化情况 差分信号的阻抗分析与计算 l 返回电流分布对阻抗的影响 当差分对的两信号线间距比较大时，两线间的耦合度比较小，在这 种情况下，如果用差分信号来驱动它们，除了信号线中会出现电流外， 返回平面中也会出现与之大小相等，方向相反的电流。并且返回平面中 的电流不会出现重叠。此时返回路径平面中的总电流为零，但是每条信 号线底下的平面中有确定的局部电流分布。任何改变电流分布的因素都 将会改变差分对的差分阻抗。 对一对共用返回导体的单端传输线来说，如果返回导体距信号线足 够远，那么差分信号的返回导体电流分布就会相互重叠，相互抵消。此 时返回路径导体的存在对差分阻抗产生不了任何影响。 分析三种典型的情况： 边缘耦合的微带线、双绞线电缆、侧面耦合 的带状线。 差分信号的阻抗分析与计算 边缘耦合的微带线 若边缘耦合微带线的两线间距达到可制造的最小值，通常这个典型值为线宽，则 两线间的耦合度最大。则返回平面上有明显电流的分布，平面的存在影响了差分阻 抗。如果将平面移到更远，每条线的单端特性阻抗增加，差分阻抗也会增加。但是 ，随着平面越移越远，差分信号的返回电流在平面中的重叠程度也越来越大，当返 回平面达到一个足够远的距离时，返回路径电流重叠的程度达到使返回路径电流消 失的程度。此时，返回路径平面的存在将不会再影响差分阻抗。如下图所示： 图11.11 不同距离时边缘耦合微带线的单端阻抗和差分阻抗变化 差分信号的阻抗分析与计算 双绞线电缆 对屏蔽双绞线来说，每条信号线的返回路径都是屏蔽层。双绞线的间距取决于绝 缘层的厚度。当两条双绞线都近似位于屏蔽层的中心而由差分信号驱动时，它们的 返回电流朝相反方向流动，并相互叠加，屏蔽层内将没有剩余电流分布。此时屏蔽 线产生不了电效应作用，对差分阻抗没有影响。当屏蔽层距双绞线线非常近时，两 条双绞线偏离中心轴的位置将导致它们在屏蔽层中的返回电流分布稍有不同。此时 屏蔽层位置的改变将会轻微地改变差分阻抗。下图显示出了屏蔽体的半径增大时， 单端双绞线与屏蔽层间的单端特性阻抗和双绞线的差分阻抗的变化情况。 图11.12 屏蔽体的半径增大时单端双绞线与屏蔽层间的 单端特性阻抗和双绞线的差分阻抗的变化情况 差分信号的阻抗分析与计算 侧面耦合的带状线 对侧面耦合带状线而言，也存在着同样的效应。当两个参考平面互相靠近并且传 输线由差分信号来驱动时，两个参考平面内也会出现各自独立的明显的返回电流。 此时，平面的存在会影响到差分阻抗。当平面间距增加时，每条线在两个平面内的 返回电流分布都基本相同，因此平面内的电流相互抵消。此时平面的影响可以忽略 。下图示出了平面间距增加时，信号线与平面间单端特性阻抗和两信号线间差分阻 抗的变化。 图11.13 平面间距增加时信号线与平面间的 单端特性阻抗和两信号线间差分阻抗的变化 差分信号的阻抗分析与计算 小结： 上述三种典型的情况说明了差分对一个非常重要的性质：当信号线 与返回平面间的耦合度大于两信号线间的耦合度时，返回路径平面中将 会出现明显的返回电流。此时平面在确定差分对差分阻抗时起到重要作 用。而当两信号线间的耦合度远大于信号线与返回平面间的耦合度时， 平面中的大部分返回电流会叠加、抵消。这种情况下平面影响不了差分 信号，将它移走不会影响到差分阻抗。此时第一条线的返回电流可以看 成由第二条信号线来传送。 差分信号的阻抗分析与计算 l 差分阻抗的计算 当信号线间距越来越小并且耦合开始起作用时，差分阻抗就会逐 渐减小。问题的复杂性在于怎样计算阻抗的变化情况，必须引入一些 附加公式进行分析。通常有如下5种分析方法： (1) 直接用近似的结果； (2) 直接使用场求解器方法得到的结果； (3) 使用基于模态的分析； (4) 使用基于电容和电感矩阵的分析； (5) 使用基于特性阻抗矩阵的分析。 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 l 差分线的端接 当差分信号到达开路终端时，将会受到一个很大的阻抗并反射回来 。如果不对此反射加以控制，它就可能会超过噪声容限引起过度噪声。 减小反射的一种方法就是在差分对末端加上一个与差分匹配阻抗的电阻 性阻抗。有两种拓扑结构来实现端接T型结构和型结构。 图11.14 差分对的 型端接和T型端接结构(可以同时端接差分信号和共模信号) 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 l 差分信号的错位与失真 如果某些因素使得差分线中的一条受到影响而另一条未受到影响，差分信 号就会失真，使得部分差分信号转换为共模信号。例如：差分线的不对称、驱动 器端的偏斜、两种差分驱动器跳变时的错位等等。下面两图分别反映了差分驱动 器跳变时的错位以及差分线的不对称（一条走线比另一条多了一个容性负载）的 情况下对差分信号质量的影响。 图11.15 错位从上升时间的20变化到2倍时 接收到的差分信号边沿变化情况 图11.16 差分线的一条线上存在一个1 pF的 容性负载时对差分信号的影响 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 错位和失真带来的影响 错位和失真对差分信号的质量影响不大，但是，它们却对共模信号的质 量影响很大，而共模信号会显著地增加EMI。并且，由于各种不对称的因素 存在，使得不管共模信号在远端是否被端接，都会有共模信号产生，从而导 致EMI。图11.17和11.18分别反映的就是共模信号在远端未被端接与被端接 两种情况下电压信号与差分信号及共模信号的关系。 图11.17 差分信号端接共模信号开路时 电压信号与差分信号及共模信号的关系 图11.18 共模信号和差分信号都被端接时 远端的电压信号与差分信号及共模信号的关系 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 需要注意的几点 (1) 微带线或带状线中的不对称、错位引起的失真与线间的耦合度 无关，它可以发生在无耦合或紧耦合的两条线之间。 (2) 任何非对称性因素都会使差分信号转换成共模信号，这包括串 扰、驱动器错位、线长偏斜和非对称负载。将错位保持在最小限度 的一个重要原因，是保证差分信号向共模信号转换最小。 (3) 很小的驱动器错位都能产生明显的共模信号。这就是要使所有 非对称降到最小的原因。 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 l 差分线的辐射干扰 在任何电路中都存在共模(CM)和差模(DM)电流。共模电流和差模 电流都决定了传播的RF能量的大小，在两者之间有较大的区别。如果 给定一对导线或走线、一个返回参考源，那么这两种模式中的一种将 存在，通常是都存在的。一般来说，差分模式信号携带数据或有用信 号(信息)。共模模式是差分模式的负面效果，并且对电磁兼容性是最麻 烦的。 差模辐射 差分模式辐射是系统结构里的RF电流回路中电流的流动引起 的。对于一个小的环形接收天线，当它在地平面之上的场中工作 时(自由空间不是一个典型环境)，这个RF能量可以近似表示为： 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 辐射传播可以用一个携带RF干扰电流的小环形天线来模拟(图 11.19)。当信号从源端传到负载时，在能量返回系统中一定存在返回电 流。一个小回路是一个尺寸比特定频率下的波长的1/4还小的回路，这 个特定频率就是在回路中流动的RF电流的频率。对于大部分PCB，一 直到几百MHz，与频率对应的小尺寸回路都存在。 图11.19 电路组成部分之间的环路区域 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 共模辐射 共模辐射是由于在电路设计之外的电压降造成的，该电压降导致电路 的一些接地的电压比真实的参考地面高。与受影响的接地系统相连的电缆 就作为天线，共模辐射(CM)的场分量。远场分量可以描述为: 其中，L是天线长度；Icm是共模电流；f是频率；R是距离。 共模电流起源于公共金属结构(比如电源面和接地面)中的公共电流。 其典型的发生条件是电流从导电平面内意料之外的通路流过。当返回的电 流与它们原来的信号通路不匹配(比如在平面内有裂缝等)，或者几个信号 有公共返回区域，共模电流就产生了。由于这些平面具有有限的阻抗，共 模电流就在上面建立起瞬时的RF电压。这种RF瞬时电压在其他导电平面 和信号的屏蔽上建立了共模电流。 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 减小双绞线上共模电流辐射的三种方法 (1) 将差分对之间的不对称和驱动器之间的错位降到最低，从而使 差分信号到共模信号的转化降到最低限度。即在源端将问题最小化。 (2) 采用屏蔽双绞线，用屏蔽层做共模电流的返回路径。 (3) 通过添加共模扼流器的办法来增加共模电流路径的阻抗。 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 l 干扰线对差分信号的影响 如果将一根单端传输线靠近差分对，那么由于来自动态单端信号 线的耦合，差分对的两条信号线中都会出现信号电压。并且差分对中 距动态线较近的那条线中会有较大的噪声。差分对的耦合度越大，在 两信号线中产生的噪声越趋于相等，差分噪声就越少。下图给出了在 远端有差分端接，近端是一个典型的低阻抗驱动器时，不同耦合的微 带线差分线的接收端的差分噪声。 图11.20 不同耦合差分线的差分噪声 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 在图11.20中，紧耦合时的线间距等于线宽，弱耦合时的线间距是线宽的2倍。 可以看出，差分线与攻击线的距离越远，耦合到差分线上的噪声就比近距离下耦合 的噪声稍小一些。 差分噪声是两条线上噪声电平的差值。在图11.20中，在弱耦合的被干扰差分线 上，差分噪声大约为1.3，在紧耦合的被干扰差分线上，差分噪声只有该值的一半 。紧耦合大约可将差分噪声减少到50。 受害差分对中的共模噪声是两条线上的噪声电压的平均值。图11.21示出了因共 模信号没有被端接产生了振铃和失真，相邻单端干扰线对差分线在两种耦合方式下 的共模噪声。 图11.21 共模信号没有被端接时， 不同耦合的差分线的共模噪声 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 从图中可以看出，当差分线的耦合方式改变时，共模噪声不会受到 很大影响。紧耦合方式下(线间距等于线宽)，共模噪声大约为2.1； 弱耦合方式下(线间距等于线宽的2倍)，共模噪声大约为1.5。 要注意的是，紧耦合会减少差分噪声，但是会增加共模噪声。串扰 是在差分对上产生共模噪声的一种典型方式。即使差分对做到完全对 称，串扰仍然会导致差分线上产生共模电压。这就是为什么要在外接 双绞线电缆中加入共模扼流器的重要原因。 此外，通常我们使两条信号线中产生的噪声越趋于相等，差分噪声 就越少。这通常意味着要使攻击线距差分对较远，并且使差分对紧密 耦合。 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 l 返回路径中的间隙 返回路径上的间隙可以分成故意的和非故意的。故意的间隙通常被用来 隔离电路板上的某个区域，以及当电源层被当做参考层或采用分离的电源层时 也会出现间隙。非故意的间隙例如返回路径中出砂孔过分刻蚀和交叠。 如果单端信号感受到的间隙很宽，那么它将感受一个大的电感突变。下图 所示在阻抗50 欧姆传输线上两端均有端接，当返回路径中间有一个1 in宽的间 隙时，出现的100 ps的传输信号和反射信号波形。由于串联电感间断，原来仅 为100 ps的上升时间急剧增加。 图11.22 在返回路径中间有一个1 in宽 的间隙时传输信号和反射信号 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 解决跨越间隙的办法有两种，一是采用低电导的电容来跨越这个间隙是可 行的，它能提供一个低阻抗的返回路径，然而此时很难获得良好的高频性能。 第二种可选方法就是采用差分线。图11.23所示为信号穿过与上述相同的间隙 时，仿真的传输差分信号和反射差分信号。其中传输差分信号的上升时间受到 了保护。图中差分信号的上升时间为100 ps。从图中可以看出，差分信号穿过 间隙时的失真很小。 图11.23 传输和反射的差分信号穿过 返回平面中1 in宽间隙时的波形 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 l 紧密耦合与非紧密耦合的影响 采用非紧密耦合的好处 受害线上的共模电压噪声比强耦合时小 差分阻抗仅取决于每条单端信号线的阻抗，而与信号线 的间距无关。从而减小了对信号线的限制，使电路板的布板 约束和版图设计更容易。 采用紧密耦合的好处 互连密度最大，电路板的功能密度最大并且板的成本也最 低。 受害差分对的差分噪声比较小。 非理想的返回路径的差分阻抗突变有所减弱。 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 l 奇模状态与偶模状态的影响 奇模阻抗与偶模阻抗 奇模阻抗：当差分信号加到差分对上，它将使差分对处于 奇模状态。此时每条信号线的特性阻抗被称 为奇模特性阻抗，简称为奇模阻抗。 偶模阻抗：当共模信号加到差分对上，它将使差分信号处 于偶模状态。此时每条信号线的特性阻抗被 称为偶模特性阻抗,简称为偶模阻抗。 差分阻抗与奇模阻抗、共模阻抗与偶模阻抗 差分阻抗与奇模阻抗的关系 差分阻抗是奇模阻抗的2倍： 共模阻抗与偶模阻抗的关系 共模阻抗是偶模阻抗的1/2： 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 两种模态对边缘耦合微带线的影响 在边缘耦合微带线中，两种模态的传播速率是不相同的。这是由于信号沿传输线传播的 速率是由电力线穿过的介质的有效介电常数决定。有效介电常数越大，速率越慢。在微带线 中，介电常数是一个复合值。因为其电力线一部分处于介质材料中，另一部分处于空气中。 场分布的精确模式和覆盖电介质材料的方式都会影响最终的有效电介质常数的值和信号传播 的实际速率。奇模下，多数电力线分布于空气中；偶模下，多数电力线分布于材料体内。由 于这个原因，奇模信号比偶模信号有一个稍微小一点的有效电介质常数，因此传输更快。 图11.24 微带线和带状线中 奇模和偶模的电场分布情况 图11.25 奇模和偶模的传播速率 差分信号设计中存在的问题 及其解决方案 远端噪声 可以用奇模和偶模传输速率的不同来解释远端噪声。假设差分对的一根传输线 加上从0 V向1 V的跳变电压，另一条线接0 V，这就等同于给信号线1接单端信号 ，信号线2接零电位。信号线1为攻击线，线2为受害线。可以将此电压模式等效为 以奇模方式传播的差分信号和以偶模方式传播的共模