4耦合度的概念
上一篇文章讲述了无耦合差分线的阻抗。当差分对的两条线距离靠近时,它们之间的耦合电容和耦合电感会发生变化。用相对耦合度来表述它们之间的耦合程度。例如2根50Ω阻抗控制、线间距是5mil、位于FR4 PCB上的带状线,它们之间的线距和耦合度关系如下图。可以看出,随着两条信号线之间的距离减小,耦合度会增加。不过即使线间距在1倍线宽的情况下,耦合度也只有15%。而当线间距是3倍线宽时,耦合度只有1%,再往后基本就可以忽略了。
5差分信号线中的信号波形对阻抗的影响
一对差分线由LINE+和LINE-组成,当差分对的两条线距离很远时,LINE+的特征阻抗和LINE-没有关系。
当差分对的两条线间距很近(通常差分线间距小于三倍线宽时),LINE+和LINE-上不同的波形形态对阻抗影响不同。
情况一:LINE+有信号,LINE-无信号时(0V)
在此种情况下,随着LINE+和LINE-的距离越近,LINE+的阻抗会减小,但变化幅度不到1%。
情况二:LINE+与LINE-信号反向时
在此种情况下,随着LINE+和LINE-的距离越近,LINE+的阻抗会减小。
情况三:LINE+与LINE-信号同向时
在此种情况下,随着LINE+和LINE-的距离越近,LINE+的阻抗会增加。
下图是上述三种情况下,LINE+的阻抗变化曲线。出现这种状况的原因是:不同信号状态导致流过LINE+和LINE-耦合电容的电流不同,由此导致信号线阻抗发生变化。
差分信号使用场景是情况二,因此随着差分信号距离减小,耦合度增加,每根信号线的单端阻抗会减小,差分阻抗也会减小。
6 差分信号线的阻抗计算公式
如下是差分信号线阻抗的近似计算公式
(一)差分微带线的差分阻抗公式:
Z0是单端阻抗值。S表示差分对的边沿到边沿距离,单位是mil。h是差分对中每一根单端线和参考平面之间的介质厚度。
(二)差分带状线的差分阻抗公式:
Z0是单端阻抗值。S表示差分对的边沿到边沿距离,单位是mil。b是带状线上下介质层的总厚度。
7 差分信号线的返回电流分布、及对差分阻抗的影响
之前我总认为差分信号的电流是从LINE+流入,经过负载后再从LINE-流出,好像和返回路径没啥关系。现实中其实并不是这样,返回电流在返回平面上有所分布,并且电流分布不同,对差分阻抗有不同影响。
(一)差分微带线的返回电流分布和差分阻抗
首先,先来看看差分信号的电流是怎么分布的。如下图是2根线宽为5mil的微带差分线。上半张图两线间距是15mil(耦合度很小了)。下半张图两线间距是5mil(紧耦合)。信号线上传输的信号频率是100MHz。颜色越浅的地方,表示电流密度越大。
针对上半张图,假设1号线是LINE+,如果它的信号电流方向是流入屏幕,那么它的返回电流在返回平面中是流出屏幕。类似的,2号线是LINE-,它的信号电流是流出屏幕,它的返回电流在返回平面中是流入屏幕。因为这两条线之间的距离很大(15mil),所以当差分信号在信号线上传输时,这两条线对应返回平面上的电流不会重叠。
针对下半张图,即使1号线和2号线已经靠的很近(5mil),返回平面上的电流重叠也不多。
接下来增大差分线和返回平面之间的距离,随着返回平面越来越远,两根信号在返回平面上的返回电流重叠面积会变大。(把线1和线2想象成2个灯泡,返回平面是一堵墙,线1和线2都会在墙上投影灯光。随着灯泡和墙之间的距离越来越远,灯泡1和灯泡2在墙上投影的重叠面积会越来越大)。
因为线1和线2在返回平面上制造的返回电流方向是相反的。随着返回平面越来越远,两根信号在返回平面上的返回电流重叠度越来越高,最后返回电流会完全抵消。此时返回平面对差分传输线的差分阻抗没有影响了。这时的差分传输线才可以等效为本节刚开始时表述的:差分信号的电流是从LINE+流入,经过负载后再从LINE-流出,好像和返回路径没啥关系。
(二)双绞线的返回电流分布和差分阻抗
如下是一对屏蔽双绞线的示意图。绿色线是差分信号线,线径D。灰色是绝缘层,两信号线的间距S由绝缘层的厚度决定。橙色是屏蔽层,R是屏蔽层的厚度。
双绞线上有信号传输时,屏蔽层就是返回平面,有返回电流在屏蔽线上流动。和微带线一样,两根信号线各自在屏蔽层上产生的返回电流方向是相反的。
如果屏蔽层的厚度足够大(返回平面和信号线距离很大,通常是屏蔽层半径R超过2倍的S时),返回电流大致呈对称分布,相互叠加抵消,屏蔽层对差分信号阻抗没有影响。无屏蔽双绞线的效果和此类似。
如果屏蔽层的厚度不是很大(即屏蔽层紧靠双绞线时),屏蔽层中的返回电流会轻微的影响差分阻抗。原因是什么呢?屏蔽层和双绞线靠的太近时,有几率出现双绞线不完全基于中心轴对称布置,导致差分信号在屏蔽层产生的返回电流也非对称,最终会轻微的影响差分阻抗。
总之:针对差分信号
①差分信号之间的耦合度比差分信号线与返回平面间的耦合度低时(差分线间距>差分线与返回平面间距),返回平面出现明显的返回电流。返回平面影响到差分阻抗。
②差分信号之间的耦合度比差分信号线与返回平面间的耦合度高时(差分线间距<差分线与返回平面间距),返回平面中的绝大部分返回电流叠加、抵消。此时返回平面不影响差分信号,电流等效为从LINE+传输到负载,再从LINE-回到源端。
③根据经验法则,要使差分信号之间的耦合度高于差分信号与返回平面之间的耦合度,需要差分信号线与返回平面之间的距离大于两信号线间距的2倍。
④在我们常见的PCB设计中,信号线与返回平面的间距要比两信号线间距小,因此返回平面还是很关键的。在做PCB设计时,差分信号需要返回平面完整。例如在返回平面中出现了间隙,在有间隙那一段,LINE+的返回电流只能靠LINE-传送,导致差分阻抗在此处发生变化。可以通过增加两线间的耦合度,使差分阻抗变化最小。
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