差分信号(下)

技术分类: 测试与测量  | 2007-11-13
来源:EEFOCUS

  因此,如果你依赖这样的假定,即:差分信号是大小相等且极性相反,并且因此没有通过地的电流,那么这个假定的一个必要推论就是差分信号对的长度必须相等。差分信号与环路面积:如果我们的差分电路处理的信号有着较慢的上升时间,高速设计规则不是问题。但是,假设我们正在处理的信号有着有较快的上升时间,什么样的额外的问题开始在差分线上发生呢?考虑一个设计,一对差分线从驱动器到接收器,跨越一个平面。同时假设走线长度完全相等,信号严格大小相等且极性相反。因此,没有通过地的返回电流。但是,尽管如此,平面层上存在一个感应电流!

  任何高速信号都能够(并且一定会)在相邻电路(或者平面)产生一个耦合信号。这种机制与串扰的机制完全相同。这是由电磁耦合,互感耦合与互容耦合的综合效果,引起的。因此,如同单端信号的返回电流倾向于在直接位于走线下方的平面上传播,差分线也会在其下方的平面上产生一个感应电流。

  但这不是返回电流。所有的返回电流已经抵消了。因此,这纯粹

是平面上的耦合噪声。问题是,如果电流必须在一个环路中流动,剩下来的电流到哪里去了呢?记住,我们有两根走线,其信号大小相等极性相反。其中一根走线在平面一个方向上耦合了一个信号,另一根在平面另一个方向上耦合了一个信号。平面上这两个耦合电流大小相等(假设其它方面设计得很好)。因此电流完全在差分走线下方的一个环路中流动(图3)。它们看上去就像是涡流。耦合电流在其中流动的环路由(a)差分线自身和(b)走线在每个端点之间的间隔来定义。

电流完全在差分走线下方的一个环路中流动

  设计规则2

  现在EMI 与环路面积已是广为人知了3。因此如果我们想控制EMI,就需要将环路面积最小化。并且做到这一点的方法引出了我们的第二条设计规则:将差分线彼此靠近布线。有人反对这条规则,事实上这条规则在上升时间较慢并且EMI 不是问题时并不是必须的。但是在高速环境中,差分线彼此靠得越近布线,走线下方所感应的电流的环路就越小,EMI 也可以得到更好的控制。

  值得一提的是一些工程师要求设计人员去掉差分线下方的平面。原因之一是减小或消除走线下方的感应电流环路。另外一个原因是防止平面上已有的噪声耦合到(推测如此)走线上的低压信号4。

  还有一个将差分线彼此靠近布线的理由。差分接收器设计为对输入信号的差敏感而对输入的共模偏移不敏感。也就是说即使(+)输入相对(-)输入仅有轻微的偏移,接收器也会检测到。但是如果(+)和(-)输入一起偏移(在同样的方向),相对而言接收器对这种偏移不敏感。因此如果任何外部噪声(比如EMI 或串扰)等同地耦合到差分线中,接收器将对此种(共模耦合)噪声不敏感。差分线布得越彼此靠近,任何偶合噪声在每根走线上就越相近。因此电路的噪声抑制就越好。

  规则2推论

  再次假定高速环境中,如果差分线彼此紧挨着布线(为了使其下方的环路面积最小化)那么走线将彼此耦合。如果走线足够长以至于端接成为一个问题,这种耦合就会影响到确切的端接阻抗5的计算。原因是:考虑一个差分线对,线1 和线2。假使它们分别携带信号V1 和V2。因为它们是差分线,V2=V1*V1 在线1 引起一个电流I1 而V2在线2 引起一个电流I2。电流必然是从欧姆定律导出,I=V/Z0,这里Z0 是走线的特征阻抗。现在线1(举例)携带的电流事实上由i1 和k*i2 组成,这里k 是线1 与线2 间的耦合比例。这表明这种耦合的最终效果是线1 上的一个明显的阻抗,这个阻抗等于Z=Z0-Z12这里Z12 由线1 与线2 间的互耦6引起。如果线1 和线2 分得很开,它们之间的耦合就很小,确切的端接阻抗就只是Z0,单端走线的特征阻抗。但是如果走线靠的更近,它们之间的耦合就会增加,这样走线的阻抗与这种耦合成比例地减小。这就是说确切的走线端接(为了防止反射)为Z0-Z12,或者某个小于Z0 的值。这对差分对的两根走线都适用。因为没有流经地的电流(大概这是个假设)那么端接电阻被连接在线1 和线2 之间,且确切的端接阻抗算得是2(Z0-Z12)。这个值经常被叫做“差分阻抗”7。

  设计规则3

  差分阻抗因互耦而变,而互耦因线距而变。因此在任何情况下,走线阻抗,也就是互耦,在全线为常数是很重要的。这就得到了我们的第三个规则:(差分对的)线距必须在全线为常数。

  注意对差分阻抗的影响只是规则2 的推论。差分阻抗根本不是与生俱来的。我们要把差分线彼此靠近布线与EMI 和噪声免疫有关。它对“长”线确切端接以及线距一致性的影响的事实只不过是为了EMI 控制而将走线彼此靠近布线的一个推论8。

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