信号完整性（SI）电源完整性（PI）学习笔记（二十五）差分对与差分阻抗（五）

差分对与差分阻抗（五）

1.（1）将差分对之间的不对称和驱动器之间的错位降到最低，从而使差分信号向共摸信号的转化降到最低限度；
（2）使用屏蔽双绞线，用屏蔽层作为共摸电流路径的阻抗；
（3）用添加共摸扼流器的办法增大共摸电流路径的阻抗。
共摸扼流器两种形式
①有铁氧材料圆柱体环绕在电缆的外部；
②第二类共摸信号扼流器主要用于双绞线中。通常将双绞线对绕成一个线圈，有时还会插入一个铁氧体磁芯。
扼流器是减小辐射的一种有效元件。

2.如果将一条单端传输线靠近差分对，那么由于与动态单端线之间有耦合，差分对的两条走线上都会出现信号电压，差分对中每条线上出现的耦合噪声极性相同，只是幅度不一样。
差分对中，距动态线较近的那条线中会有较大的噪声，差分对的耦合越深，在两条走线上产生的噪声越趋近于相等，差分噪声也就越小。

措施：让攻击线距差分线对较远，并且使差分对紧耦合。

两种耦合级别：
①紧耦合时的线间距等于线宽，弱耦合时的线间距等于线宽的2倍，在该差分中，距攻击线较远的那条走线的噪声比较小，差分噪声是两条走线上噪声电平的差值。
②受害差分对的共摸噪声是两条线上噪声电压的平均值，当差分对的耦合度变化时，共摸噪声不会受到很大的影响。紧耦合能减小差分噪声，但会增加共摸噪声。串扰是在差分对中产生共摸噪声的一种典型途径。

单端攻击线会使差分对中产生差分噪声，上面的分析揭示出减小差分噪声的一种通用规则，使差分对中的耦合尽可能紧密。当然为了尽可能减小耦合噪声，还需要使攻击线与受害差分对之间的距离尽可能远，紧耦合不能消除串扰，但在某些情况下会将其减小一些。

3.从另一个差分对耦合的差分噪声要稍微小于单端走线耦合的差分噪声。通常差分对中两线之间的耦合程度，特别是带状线，对从其他走线引入的差分串扰的影响很小。只有当相邻的返回平面不存在时，例如，在连接器或封装引脚中，紧耦合才会对减小串扰有很强的作用。

4.返回路径中的间隙通常用于隔离电路板上的某个区域。在信号的返回参考层选为电源平面而电源平面被分割的情况下，也会出现间隙。如果单端信号遇到的间隙很宽，那么它将感受到一个颠覆性的突变。这是一个大的电感性突变。

5.为了使传输的信号能跨越返回路径中的间隙并维持可接受的性能，一种可选方案就是使用差分对。使用紧耦合的差分对是在返回平面很差的区域传输宽带信号的一种途径。
单端信号在通过返回路径中的间隙时将会产生地弹，因为其返回电流将会看到间隙的公共电感。然而，差分信号的返回电流将在公共电感中重叠，并且大部分会被抵消。由于几乎没有跨越间隙的净返回电流，差分信号的地弹将远远小于单端信号的地弹。

6.（1）使用紧耦合差分对的最大优点是紧耦合时的互联密度更高。这意味着占用更少的层或可能更小的电路板，这两者有助于降低成本；
（2）通常，在高于10Gbps并且损耗被当成重要的性能指标时，应将弱耦合差分对作为首选，它使得线条最宽，损耗又最低。
使用弱耦合的最大优点是可以使用较大的线宽，当成本为主要原因时，可以使用紧耦合差分对，当损耗成为主要原因时，应当使用弱耦合差分对。

7.两条耦合线的传输线的等效电路模型，用SPICE电容矩阵进行定义，电感元素用四路电感矩阵进行定义。

（1）当差分对以奇模状态驱动时，单条线的阻抗即为奇模特性阻抗。此时单条线的等效电容为：

在奇模状态下，电流流入信号线1，再从返回路径中流出。与此同时，电流从线2流出，在流入返回路径。当线对以奇模驱动时，线1的等效回路电感为：

从线对的1始端看进去，随着线间耦合度的增加，可以看到电容会变大，回路电感会变小，从这两个量可以计算得到奇模特性阻抗和时延：

（2）当线对驱动偶模状态时，邻近线的驱动电压和走线1的相同。由于这条邻近线同电位的屏蔽作用，线1信号路径与返回路径之间的电容会减小此时单位长度的等效电容为：

在偶模状态下，电流流入信号线1，再从返回路径中流出，与此同时，电流一样流入信号线2再从返回路径中流出，在以偶模驱动时，线1的等效电感为：

当线对以偶模状态驱动时，根据从线1始端看进去的单位长度电容与回路电感，可以计算出偶模特性阻抗和时延：

8.所有场求解器都使用了以上的这些基于电容矩阵与电感矩阵元素的关系式，以此计算任何耦合度，任何叠层结构的各种传输线的奇模特性阻抗，偶模特性阻抗及时延。从这个意义上讲，电容矩阵，与电感矩阵元素完全定义了一对耦合传输线的电气特性。随着耦合度的增加，非对角元素会相应地增加，奇模阻抗会减小，偶模阻抗会增大。

9.描述两条或更多条传输线的另一种可选方法是使用阻抗矩阵。阻抗矩阵的对角元素是当另一条线中无电流流入时一条线的阻抗。
奇模状态的定义是两条线中电流大小相等方向相反，或者说I1=-I2的状态。根据这个定义，电压为：

偶模状态的定义是两条线中电流完全相同，或者说I1=I2的状态。根据这个定义，线1的偶模状态下的电压为：

一条线的奇模阻抗是阻抗矩阵对角线元素与非对角线元素之差。耦合度越大，非对角线元素越大。奇模阻抗越小，偶模阻抗是阻抗矩阵的对角线元素。与非对角线元素之和。耦合度越大，非对角元素越大，偶模阻抗也就越大。
从信号的角度看，唯一重要的是差分阻抗和共摸阻抗，可用以下3种等效形式加以描述：
（1）奇模阻抗和偶模阻抗；
（2）电容矩阵和电感矩阵元素；
（3）阻抗矩阵。