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阻抗匹配與差分線設(shè)計(jì)

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差分線的基本概念

差分對(duì)是指一對(duì)存在耦合的傳輸線，每條線都可以用簡單的單端傳輸線。這兩條線組合在一起就稱為“一個(gè)差分對(duì)“。下圖為最常見的差分線對(duì)的截面圖。

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差分傳輸是一種信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的振幅相同，相位相反。在這兩根線上的傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。

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信號(hào)接收端比較這兩個(gè)電壓的差值來判斷發(fā)送端發(fā)送的邏輯狀態(tài)，在電路板上，差分走線必須是等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線，這兩根線上傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)(差模信號(hào))。優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是電路比單端傳輸?shù)膹?fù)雜，一般在高速信號(hào)中， 其電壓幅度比較低， 像MIPI DSI規(guī)范低速振幅=1200mv， 而高速振幅=200mv， 所以采用上面的單端走線的話抗干擾能力實(shí)在太差了， 因此高速（低振幅）大部分是使用差分信號(hào)。如下圖

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差分放大電路有差模和共模兩種基本輸入信號(hào)，那么什么是共模信號(hào)呢？當(dāng)兩輸入端所接信號(hào)大小相等，極性相反時(shí)，稱為差模輸入信號(hào)；當(dāng)兩輸入端所接信號(hào)大小相等、極性相同時(shí)，稱為共模信號(hào)。

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實(shí)際應(yīng)用中，溫度的變化各種環(huán)境噪聲的影響時(shí)共模噪聲，也稱為對(duì)地噪聲，指的是兩根線分別對(duì)地的噪聲。差分放大電路時(shí)直接耦合放大電路的基本組成單元，對(duì)于共模信號(hào)起到很強(qiáng)的抑制作用，未對(duì)差模信號(hào)起到放大租用，并且電路的放大能力與輸出方式有關(guān)。

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為了提高信號(hào)在高速率、長距離情況下傳輸?shù)目煽啃?，大部分高速的?shù)字串行總線都會(huì)采用差分信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳輸。差分信號(hào)是用一對(duì)反相的差分線進(jìn)行信號(hào)傳輸，發(fā)送端采用差分的發(fā)送器，接收端相應(yīng)采用差分的接收器。下圖是個(gè)差分線的傳輸模型及真實(shí)的差分PCB走線。

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采用差分傳輸方式后，由于差分線對(duì)里正負(fù)信號(hào)的走線是緊密耦合在一起的，所以外界噪聲對(duì)于兩根信號(hào)線的影響是一樣的。而在接收端，由于其接收器是把正負(fù)信號(hào)相減的結(jié)果做為邏輯判決的依據(jù)，因此即使信號(hào)線上有嚴(yán)重的共模噪聲或者地電平的波動(dòng)，對(duì)于最后的邏輯電平判決影響很小。相對(duì)于單端傳輸方式，差分傳輸方式的抗干擾、抗共模噪聲能力大大提高。下圖是一個(gè)差分傳輸對(duì)共模噪聲抑制的一個(gè)例子。

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采用差分方式進(jìn)行信號(hào)傳輸會(huì)使得收發(fā)端的電路變得復(fù)雜，系統(tǒng)的功耗也隨之上升，但是由于其優(yōu)異的抗干擾能力以及可靠的傳輸特性，使得差分傳輸方式在需要進(jìn)行高速數(shù)字信號(hào)的傳輸或者惡劣工作環(huán)境的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如LVDS、PCI-E、SATA、USB、HDMI、1394、CAN、Flexray等總線都是采用差分的信號(hào)傳輸方式。


差分阻抗的基本概念

差分對(duì)最重要的電氣特性是差分信號(hào)的阻抗，稱為“差分阻抗”，即差分對(duì)對(duì)差分信號(hào)的阻抗，是差分信號(hào)電壓與其電流的比值。這個(gè)定義是計(jì)算差分阻抗的基礎(chǔ)，其微妙之處在于怎樣定義信號(hào)的電壓和電流。對(duì)差分對(duì)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。流經(jīng)信號(hào)傳輸線和返回路徑之間的電流為：

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式中，Ione為流入信號(hào)線并從返回路徑流出的電流；Vone為信號(hào)線與相鄰返 回路徑的電壓；Z0為信號(hào)線的單端特性阻抗。傳輸線上的跳變差分信號(hào)是兩條信號(hào)線上的差信號(hào)。它的電壓是每條信號(hào)線上電壓的兩倍：2 × Vone。根據(jù)阻抗的定義，差分信號(hào)的阻抗為:

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式中，Zdiff為差分阻抗；Vdiff為電壓差或差分信號(hào)變化；Ione為流入一條信號(hào)線后從其回路流出的電流；Vone為一條信號(hào)線與相鄰返回通路的電壓；Z0為單條線的單端特性阻抗。


無耦合時(shí)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(gè)差分信號(hào)沿差分對(duì)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(hào)將會(huì)反射回源端。這種多次反射就會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響信號(hào)質(zhì)量。下圖所示的就是一個(gè)差分線末端出現(xiàn)的模擬差分信號(hào)。振鈴的出現(xiàn)是由于差分信號(hào)在低阻抗的驅(qū)動(dòng)器和高阻抗的線端之間的多重反彈。圖中差分對(duì)互連末端沒有端接，并且差分對(duì)之間沒有耦合，下圖為差分電路和差分線對(duì)的遠(yuǎn)端接收信號(hào)。

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

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耦合時(shí)的差分阻抗

當(dāng)兩條帶狀線相距越來越近時(shí)，它們邊緣的電場和磁場會(huì)重疊，二者之間的耦合程度也會(huì)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(hào)線靠近時(shí)，C11和C12都會(huì)改變。當(dāng)信號(hào)線1與其返回路徑的一些邊緣區(qū)域被相鄰信號(hào)線干擾時(shí)，C11將減小，C12會(huì)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(duì)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。

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當(dāng)把兩信號(hào)線靠近時(shí)，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(huì)有略微的減小(最近時(shí)的減小量小于1％)，L12會(huì)增加。L11與L12隨兩線的邊緣舉例的變化。

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總之，把兩條走線放置在一起時(shí)，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(duì)耦合度(即C12/C11或L12/L11)仍小于15%。當(dāng)間距大于15 mil時(shí)，相對(duì)耦合減小至1%，基本可忽略不計(jì)。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(shí)相對(duì)互容和相對(duì)互感的隨線距的變化，即相對(duì)電容耦合與相對(duì)電感耦合的比值，如何隨間隔的變化而變化。注意，對(duì)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(duì)耦合電容與相對(duì)耦合電感是相同的,間距變化時(shí)相對(duì)互容和相對(duì)互感的變化.

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