差分线的回流路径
虽然不赞同用单端布线方式走差分线,但是我也觉得差分线之间的耦合没有与参考面的耦合大。我觉得差分线之间的相互抵消作用需要以地作为中间的媒介。
由于没用过仿真软件,所以不能进行验证,只能停留在感觉上。不知各位高手怎么看。
分几点来讨论好了
1.
由KCL可知 一个节点若有电流流出 肯定会有等量的电流流入
所以任何讯号都会有回流电流,整体形成一个封闭回路,如下图 :
2.
电流流经封闭回路的磁场,会构成磁通量,
其磁通量与电流的比值,便构成了电感,而电感又与感抗有关。
由上式可知,回路面积与感抗成正比,若回路面积越小,则感抗就越小。
而由下图可知,低频讯号的回流电流,会走最小电阻路径。
而高频讯号的回流电流,会走最小感抗路径,
前述已知,回路面积越小,则感抗就越小,
亦即高频讯号的回流电流,会走可以构成最小回路面积的路径。
因此,如上图,
虽然高频讯号的回流路径,比低频讯号的回流路径来得长,
但整体构成的回路面积较小,
而由仿真结果也证实,当讯号为低频时,其回流电流只集中在Load到Source这段路径,
但当讯号为高频时,其回流电流会集中在原路径下方。
所以我们得到一个结论
对高速差分讯号而言
可能以彼此为回流路径 也可能以GND为回流路径
端赖谁能提供较小的回路面积
3.
以Any Layer的十层板为例,
其讯号走线与GND的距离为2.8 mil,就算下层挖空,也只有5.6 mil。
但表层走线若要达到100奥姆,其间距差不多要10mil,
因为与GND的距离较近,亦即GND能提供较小的回路面积,
这表示以GND为回流路径的机会大得多。
而由下图的仿真结果可知,瞬时时,其回流电流都集中在差分讯号原路径下方的GND。
因此差分讯号的回流电流,大多情况确实是存在于GND,而不是彼此
因此 即便完全对称 仍然需要GND 若将GND拿掉
一来是阻抗难以控制
二来是回路面积变大 (因为彼此间距一定大于跟GND的距离)
会使EMI干扰变强
所以GND对于差分讯号,必须如同单端讯号一般,GND要维持完整性。
由下图可知,当差分讯号的GND为一完整平面时,其Return Loss至少有-20 dB,而Insertion Loss也不大。
但当差分讯号的GND有一开槽时,其Return Loss几乎都不到-20 dB,
而Insertion Loss也明显变大许多,如下图 :
因为差分讯号与GND的距离会影响阻抗,
换言之,当差分讯号经过开槽时,会因为阻抗不连续,产生反射,因而Return Loss变差。
而开槽可等效于电感,由于电感会衰减高频讯号,
故当差分讯号经过开槽时,其能量会衰减,因而Insertion Loss变大。
由下图可知,GNDBounce,会使输出波形失真,以及影响邏辑运作的正确性,进而使系统稳定度变差,
而由下图可知,差分讯号经过开槽时,会产生GND Bounce。
所以可知 只要切断了差分线的回流路径
就是会有影响
其他详情可参照
EDA365藏经阁 › 差分信号之剖析与探讨
在此就不赘述
差分对传输确实比较复杂,PCB上差分对返回电流主要是在参考面上,这个没错。连接器或者电缆中返回电流要复杂一些,不过我想大家说的也是PCB上的情况。
差分信号的传输也不一定非要使用差分布线,10G以上高速互连按照单端走线的情况也有很多,关键是要控制好外部干扰。
包地的做法本身没问题,弄好了可以让信号几乎不受干扰,所以很多芯片厂商评估他们自己的高速serdes的时候,评估板上喜欢这种做法,问题是不好通用化。包地如果处理好了,确实有用,但是不能指望每个工程师对这种做法都能深刻理解,弄不好搞出大的谐振就挂了,这种方法对SI理解到一定层次后在用吧,刚开始别冒险。而且用这种方法有限制的。
差分对中共模噪声来源有外部的,也有本身产生的,有多大影响和差分对的对称性有关,差分对不可能完全对称。
差分设计中,松耦合有明显的优势。比较保险的方法是:使用松耦合,同时加大与其他信号的间距。
小编所说的观点大多数情况下都是可以成立的,一般的差分线的确主要通过参考地回流,这没有问题……
但说差分线走单端并且两边包地就有问题了,差分线最大的优势就是可以抵抗共模干扰,通俗点就是同一个干扰打过来,在差分对的两根信号线产生的影响差不多是一样大的,差分相减时会抵消掉。如果分开走线,单纯的跑信号没有问题,但耐干扰能力会大大降低。
在《信号完整性》一书中,可以看到差分线不同参数情况下的回流情况,具体的记不太清楚了,印象中在一定条件下参考面就没有意义了,两条差分线成为一个回路,你可以查查书看看。
多谢回复,我去看看。
我也是这么想的。不知道实际是什么样子的。
有紧耦合和松耦合之分,有各自的优缺点,和介质厚度、线宽、差分线之间距离有关!
8楼讲的太详细了,赞一个
差分信号的传输也不一定非要使用差分布线,10G以上高速互连按照单端走线的情况有没有高手出来讲讲这种情况下,单端为什么比差分好,设计有什么注意点
你就是高手啊,太谦虚了。
高手如林,小辈大饱眼福!
差分线之间的耦合确实没有差分线和参考平面之间的耦合大,但是在回流路径上差分线和单端线明显不同,差分线对参考平面的要求比单端线地很多,例如在参考平面切换时,会对单端的线的回流路径产生很大影响,但是对差分线的回流影响很小。这是差分相比于单端突出优点之一。
请教下,平面切换时,为什么单线的影响要大些啊
请问下,<信号完整性>是谁的版本的啊