差分线传输技巧:如何通过匹配减少串扰并增强抗干扰能力

百科   2025-01-23 07:30   北京  
问:请教各位,差分线传输要求要紧密耦合,那会不会引起串扰呢?
答:会引起串扰的,所以差分对一定要进行匹配,耦合的越紧,对匹配的要求越大。在做到良好的匹配的同时,耦合的越紧密,它们对外界的抗干扰越强,因为外界干扰对它们的影响是同时的,而差分对关注的是两个信号的差别,所以对外界的共模噪声免疫。

对差分对是否一定要耦合的问题,争论比较多,许多专家对此意见也不完全相同。差分对耦合的主要目的是增强对外界的抗干扰能力和抑制EMI。如果能保证周围所有的走线离差分对较远(比如远远大于3 倍的线宽),那么差分走线可以不用保证紧密的耦合,最关键的是保证走线长度相等即可。只是目前大多数多层高速的PCB板走线空间很紧密,根本无法将差分走线和其它走线隔离开来,所以这时候保持紧密的耦合以增加抗干扰能力是应该的。在高速的(10G以上)芯片封装基板的设计中,较为流行的一种做法就是将两根差分线之间及外部都用铺铜区隔离,这样差分对之间没有任何耦合,这样的做法可以满足严格的单根走线阻抗50 欧姆,差分阻抗100 欧姆的要求,在高频下能得到较低的损耗(S11回损和S21差损参数)

我觉得差分对不是一定要耦合的,差分可以不考虑串扰的,因为他们的串扰结果在最后的接受时会抵消。另外,差分要平衡走线,平行只是平衡的一部分而已。

我觉得差分对的耦合还是应该要的,对于单线匹配,虽然理论上很成熟,但是实际PCB的线路还是有5%左右的误差。另一方面,差分线可以看作一个自回路系统,或者说它的两根信号线上的信号是相关的。耦合过松,可能会引起不同来自别处的干扰,而对于有些接口电路来说,差分对的等长正是控制线路延迟的重要因素。所以,我觉得还是应该将差分线紧耦合的。

对于目前大多数高速PCB板来说,保持很好的耦合是有利的;但是希望大家不要误认为耦合是差分对的必要条件,这样有的时候反而限制了设计的思路。做高速设计或分析的时候,不光要知道大多数人是怎么做的,更要了解别人为什么这样做,然后在别人的经验基础上进行理解和改进,不断锻炼自己创造性思维能力。

问:串扰是当信号发生跳变的时候,由于线间的耦合电容耦合过来的,那差分对的匹配是什么原理来消除串扰?具体说明有吗?
答:匹配是通过消除反射来减小串扰的影响,但不是消除串扰。差分对之间既然存在电容和电感的耦合,那么理论上也存在串扰,前向串扰和后向串扰的反射是接受端受到的主要影响,前向串扰由于容性和感性耦合的极性相反,能大部分抵消(差分线之间容性耦合较大),而后向串扰的反射到匹配的终端之后没有全反射叠加,其幅度也是很小的。另外,在长距离差分线传输中,比如485,422等,参考设计在接收端。

问:跨接120欧姆的电阻,是差分线匹配而消除反射的做法吗?
答:那个120欧姆就是差分匹配电阻,这是一种简化的差分匹配形式。

PS:匹配是需要的,但匹配原因不是反射,而是降低串绕干扰程度,如果降低和采用匹配方式有关,如果串电阻,则没有效果,但如果采用接地或者接电源的端接匹配方式,则由于因为两条线的线阻抗降低而使串绕降低(大家都知道,搞阻抗的线容易接受外界的信号干扰,因为比较容易吸收)。

大家可以做个实验,把差分的线割断,然后用飞线连。如果两根是分开的话,会出现信号的不稳定。表现就是端口的信号时有时没有。但是用两根并在一起的线飞的话信号就稳定了。如果把他放在一个屏蔽的地方的话,可能结果又会不同。

问:为了保证信号传输更可靠,设计中两个板子间每一个信号采用双点双线连接,也就是一对信号四根线,这样用会出问题,接收端不能正常的接收出正确的信号。只有差分信号会有这种问题,TTL电平不会有这种问题。怎么解释?
答:1.所谓差分线的紧密耦合也并不是说靠得越近越好,太近了也没什么用,因为差分传输也和地有关。2.fenix 提到的向前和向后串扰大致是这样的。向前串扰分为容性和感性,这两者阻抗分别为1/jwc 和jwl,相位正好是相反的,到达终点时间相同,大小也差不多,所以可以认为抵消。向后串扰要持续2Tpcb,无法抵消。可以考虑在终端用电阻吸收掉。

差分信号本身不要求单线阻抗,因为只要+,和-信号是对称的,都可以在终端抵消由于单线阻抗不匹配引起的信号完整性问题,但是不控制单线阻抗,会干扰周边的别的信号,同样如果周边信号的EMI干扰很小,根本不必考虑平行走线,而只关心俩信号线长度基本相同,飞线无所谓。紧密耦合走线,只是为了让周边信号对俩信号的共模干扰基本相同,而达到较高的共模抑制性能。

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