您應該使用緊密還是松散的差分對間距和耦合？

2022-04-19

您應該使用緊密還是松散的差分對間距和耦合？

我們收到很多關(guān)于走線(xiàn)阻抗以及如何計算正確的走線(xiàn)尺寸以達到可制造PCB中特定阻抗的問(wèn)題。與確定單端走線(xiàn)的適當走線(xiàn)寬度同樣重要的是確定差分對中兩條走線(xiàn)之間的適當間距。所以問(wèn)題是，差分對中的走線(xiàn)彼此之間需要有多近，“緊密耦合”的需求真的有必要嗎？

該設計指南的有趣之處在于，它可能是唯一定義最差的PCB設計經(jīng)驗法則。究竟什么是數字意義上的“松耦合”或“緊耦合”？如果你問(wèn)10位不同的信號完整性專(zhuān)家，你會(huì )得到 20 個(gè)不同的答案！

在本文中，我們希望更接近真實(shí)地描述緊耦合與松耦合的差分對間距，以及差分對間距如何影響阻抗、差模噪聲、共模接收等因素噪聲和終止。正如我們將看到的，關(guān)注緊密耦合（無(wú)論它是什么意思）有其優(yōu)點(diǎn)，但它經(jīng)常被認為是必要的，原因是錯誤的。

差分對間距如何影響信號完整性

讓我們看看我上面提到的每個(gè)維度，看看差分對間距在哪里發(fā)揮作用，以及如何設置合適的值。

阻抗

差分對中受間距影響的主要參數是阻抗。差分對的阻抗取決于每條走線(xiàn)的自電容和自感，以及每條走線(xiàn)之間的互電容和互感。這意味著(zhù)不同 l 對的典型阻抗公式需要分解為奇阻抗和差分阻抗，定義如下：

奇模和差模阻抗公式。

互感和電容的存在分別為兩對提供等效的總電感和電容。在上面的方程中，我們忽略了損耗（傳輸線(xiàn)阻抗方程中的 R 和 G），但沒(méi)關(guān)系，這里的重點(diǎn)是注意間距。

差分對中的兩條走線(xiàn)之間存在互感和電容。

將線(xiàn)對放置得越近，差分阻抗就越小，因為L M和C M變大。當間距趨于無(wú)窮大時(shí)，L M和C M都收斂到零。

換句話(huà)說(shuō)，如果您的設計要達到差分阻抗目標（例如在標準中指定或通過(guò)測量確定），那么您不能將兩對放在一起太近，否則您將不會(huì )違反阻抗目標作為差分阻抗會(huì )太小。然而，較小的間距會(huì )使沿線(xiàn)路長(cháng)度的兩條走線(xiàn)之間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)集中，從而增加損耗。

兩條走線(xiàn)之間的互感和互電容不容易計算，也沒(méi)有可以使用的簡(jiǎn)單封閉式公式。一些研究文章中有一些較長(cháng)的公式，但它們非常冗長(cháng)且笨拙。更好的選擇是使用帶有內置計算器的疊加編輯器。這種類(lèi)型的實(shí)用程序通常使用電磁場(chǎng)求解器來(lái)確定差分對的阻抗，而不是確定互電容和電感。

共模噪聲抑制

差分對有時(shí)被描述為不受串擾的影響，盡管并不總是說(shuō)明這是來(lái)自單端信號還是差分信號。無(wú)論如何，事實(shí)是差分對不能免受來(lái)自差模噪聲源或共模噪聲源的串擾的影響。

以串擾形式產(chǎn)生的共模噪聲又如何呢？如果您正在查看在附近差分模式對中感應出信號的單端干擾源走線(xiàn)，那么現實(shí)情況是，無(wú)論您將兩條走線(xiàn)在差分模式中的布線(xiàn)有多緊密，您都無(wú)法保證完全抑制共模噪聲。一對。然而，更緊密的耦合確實(shí)有幫助。

要了解原因，我們只需要看看來(lái)自單端攻擊者軌跡的場(chǎng)如何在空間中分布。因為場(chǎng)隨著(zhù)距離走線(xiàn)的距離而衰減，所以差分對中較近的走線(xiàn)比較遠的走線(xiàn)接收到更多的噪聲。

干擾源跡線(xiàn)輻射的場(chǎng)隨著(zhù)距離的增加而變弱，因此差分對中的每條跡線(xiàn)接收到的噪聲可能不相等，并且無(wú)法被差分接收器完全消除。

在這里，我認為最佳解決方案是將單端走線(xiàn)從差分對移得更遠，而不是僅僅將差分對放在一起。如果這不是一個(gè)可行的解決方案，那么更小的間距將產(chǎn)生相同的效果，但沿差分對的損耗更高。

差模EMI

還有一個(gè)神話(huà)是差分對不發(fā)射EMI。這也是不真實(shí)的；如果這是真的，那么我們將無(wú)法測量差分串擾。然而，來(lái)自差分對的輻射EMI處于差模狀態(tài)，因此它的強度低于單端跡線(xiàn)或一組跡線(xiàn)發(fā)出的噪聲。這就是您可以在差分鏈路上運行超高速串行數據而不會(huì )不斷失敗 EMC 測試的原因之一：與通過(guò)單條跡線(xiàn)發(fā)送數據相比，噪聲要小得多。

因為只有在長(cháng)差分對上路由串行數據時(shí)，差分EMI才是一個(gè)問(wèn)題，所以您可能想將差分對靠得更近以抵消噪聲。我要再次聲明損失（插入損失）在這種情況下更為重要。在需要使用差分對的長(cháng)鏈路中，損耗將主導通道行為，因此最好選擇更大的間距。如果通道一開(kāi)始就設計正確，那么即使數字比特流的上升時(shí)間非?？欤ǖ陀?span>10ps），您也不應該遇到極端的輻射噪聲問(wèn)題。

為什么要關(guān)注間距和長(cháng)度匹配？

在遙遠的過(guò)去，在設計人員使用大量CAD工具和專(zhuān)業(yè)電子設計軟件之前，對差分對應用長(cháng)度匹配和一致間距是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程。如今，PCB設計人員被CAD工具寵壞了，這些工具可以非常輕松地將長(cháng)度匹配部分應用于差分對。與您的布線(xiàn)工具接口的設計規則也使得在差分對中的每條跡線(xiàn)之間應用一致的間距變得非常容易，如果需要，包括非常緊密的間距。

盡管在傳統端接方法和差分阻抗目標的范圍內可能沒(méi)有必要，但我們看到了使用小間距的幾個(gè)原因：

降低差模噪聲發(fā)射和差分串擾

將噪聲作為真正的共模噪聲接收的可能性更高

對之間發(fā)射的差模噪聲更低

然而，與普遍的看法相反，端接不需要選擇盡可能小的間距，這會(huì )增加沿線(xiàn)對長(cháng)度的損耗。終止是一個(gè)很長(cháng)的討論。主要內容是端接將差分對視為兩個(gè)單端信號，而不是某些差分阻抗。

當您需要在設計中設置和維護差分對間距和特定阻抗目標時(shí)，請使用Altium Designer ?中的全套PCB布線(xiàn)和仿真功能。集成布線(xiàn)工具為您提供完成物理布局所需的一切，同時(shí)保持幾何規則和阻抗目標。