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标题: 【讨论】差分线的回流路径 [打印本页]
作者: lzscan    时间: 2013-9-11 19:49
标题: 【讨论】差分线的回流路径
        之前跟同事聊天，他说以前听过一个讲座。其中有一个观点是差分线当单端线来走，因为差分线虽然相位差180度，但实际上大部分的回流仍然会流过其下面的参考平面，原因是PCB上的差分线是扁平导线，与参考面相对的面积比两条差分线之间相对的面积要大，而且很多时候差分线间间距比差分线-参考平面间距里大。所以与参考面耦合的强度大于相互之间的耦合强度。引申出来的结论是差分线做单端线走，两边包地。* P3 w8 g* C* f4 J8 v
       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。- h7 C9 r( E" K3 i% n
       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。
作者: 飞雪逐青    时间: 2013-9-17 18:58
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。
作者: lzscan    时间: 2013-9-18 09:22
飞雪逐青 发表于 2013-9-17 18:58. y6 i" m' ?8 T/ C, z, i) s4 M4 o$ o
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 ...

, {0 r2 B' E8 Z: B/ O1 s多谢回复，我去看看。
作者: Nelson    时间: 2013-9-18 13:29
楼主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……
0 A1 [2 g# S; P/ P% d! d
& c: u9 H* e$ z1 O2 V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。
作者: lzscan    时间: 2013-9-18 13:31
Nelson 发表于 2013-9-18 13:29( S- V) a/ ~3 E4 s; O. X& V+ r% m7 K
楼主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……" E2 u; n8 ]1 v" h9 K1 x! q
6 J% w1 N* W6 S  F( p. H' m" _) ]
但说 ...

: k1 z! D, r4 p9 z: b我也是这么想的。不知道实际是什么样子的。
作者: 飞雪逐青    时间: 2013-9-18 13:50
lzscan 发表于 2013-9-18 13:31) y0 A: C1 M' s6 o/ a, k
我也是这么想的。不知道实际是什么样子的。
4 h# n5 s5 b4 Z/ I8 Z7 s' P
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！
作者: 于争    时间: 2013-9-18 14:12
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。4 w7 g- D& m! T5 n1 t
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。7 x0 M9 u6 U# ]& v! M
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。: F8 P# L( N! e3 q
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。4 X! ?: Q2 d* C3 M
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。
作者: criterion    时间: 2015-3-6 21:20
本帖最后由 criterion 于 2015-3-6 21:21 编辑
, x4 A6 f0 s8 Q; Z; ^
3 B7 r2 i  e8 E
分几点来讨论好了
1.      
; [1 V; d9 l" w' e% H( z* E! U
  @5 i5 m* ?2 h8 b% D- z
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

1 ^* b, _( ~" S" \; r* H
" `; S8 ~' h1 C& c/ E1 N
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 :
3 i+ u9 L8 @- x0 I3 I" C6 x
& \9 K! E3 x  [2 s6 ?; p
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。
7 j; S  \% b; R" X, L, L1 g

0 H# Q5 v) N% P: A1 y& L
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，

# n0 ]1 I3 k2 S! h* ]; H
0 |' o( i3 u4 I0 V' e$ ]
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。

3 |; U9 o$ }) @( N' B4 Q. y6 }
  {+ B- y* ?" l) k' X
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
% o- T+ ~# W/ l+ D/ X$ i2 O# e- h, {8 g& O6 p

2 \/ P1 r9 M0 M7 {
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。

+ f3 D5 F: f& p" l9 g% [4 R7 k

! V- p3 ]$ @9 X. X; P2 ?
但表层走线若要达到100奥姆，其间距差不多要10mil，
; J/ g4 P, n' g6 }2 R
( L1 y1 O4 ~1 m$ C
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。

# o3 R; q. I3 I, U- ^$ f* E! I
( l  [; k1 {, G3 k  }
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。
2 `! l& W5 U4 l4 Q$ K7 q

: E7 }: R1 W! u% g/ C
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 :
$ R0 m" C$ ?) B1 R3 e; j1 C8 S
: b0 V3 I- F9 x. t0 t) W
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。
; `% B# C- F; b7 g/ d3 U
  d+ q+ v+ B3 P+ z% Y6 d5 i
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，

7 J6 c# m0 |) p* k5 h* S
- j& t% w$ K, A; J) E0 z  t
而由下图可知，差分讯号经过开槽时，会产生GND Bounce。

0 Q9 q7 M9 d) u- S
* p  ~! w7 k4 s+ p% h& Q8 i7 k
所以可知   只要切断了差分线的回流路径
就是会有影响
% Z  Q' k* [$ J, n# ^. ^. b
& `# L# J( }/ x( l; s
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
$ t' y/ X2 ^% V+ S
作者: 天天在线    时间: 2015-3-19 19:19
8楼讲的太详细了，赞一个
作者: wdc    时间: 2015-3-24 16:02
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
作者: shark4685    时间: 2015-3-24 19:46
wdc 发表于 2015-3-24 16:02
2 W; u/ @# g3 u& V! k- E9 i; E$ s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 ...

3 N5 a+ B0 p5 z6 u6 l# e8 _1 M: V- G你就是高手啊，太谦虚了。: Z1 n3 s. ]+ ?" h
作者: 09205010221    时间: 2016-1-8 10:15
高手如林，小辈大饱眼福！
作者: xiaoyu19890210    时间: 2016-1-17 22:42
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。
作者: 杰1111    时间: 2016-1-18 17:52
xiaoyu19890210 发表于 2016-1-17 22:42
6 [$ y: F. {. \+ z/ r, v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 ...
6 O) w/ `; z' p" R( u2 N& Y9 S6 S
请教下，平面切换时，为什么单线的影响要大些啊
# d. `+ r8 O0 p6 V2 V+ Y
作者: 杰1111    时间: 2016-1-18 17:53
飞雪逐青 发表于 2013-9-17 18:58
: ]& f. n  s) K& r) V; r# v7 `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 ...
: z- ~" t6 }' d& }% b# k
请问下，<信号完整性>是谁的版本的啊
" B+ z  i4 X2 R* ?& t+ w
作者: 飞雪逐青    时间: 2016-1-20 08:58
杰1111 发表于 2016-1-18 17:53+ Z' y4 a6 |+ k3 g( x: Z& B, @; {
请问下，是谁的版本的啊

- C1 W3 P# \: n; I; K7 D应该叫《信号完整性分析》，作者美)伯格丁(Bogatin,E.)著，李玉山 等译 出版社:电子工业出版社。这本书应该是最经典的了！# o$ p9 D. j3 i' I7 \" Q8 u! E
作者: 杰1111    时间: 2016-1-20 09:49
飞雪逐青 发表于 2016-1-20 08:589 F# I3 a! ~7 J3 S8 }* Z
应该叫《信号完整性分析》，作者美)伯格丁(Bogatin,E.)著，李玉山 等译 出版社:电子工业出版社。这本书 ...

' g* s: ?- c+ t感谢
作者: xiaoyu19890210    时间: 2016-1-26 14:48
杰1111 发表于 2016-1-18 17:52
1 U+ X1 T4 C, K0 p$ n9 b' U8 c请教下，平面切换时，为什么单线的影响要大些啊

  |  x+ e3 S% c* I" P' H! T4 o$ u5 L网上有篇文章“差分信号回流路径的全波电磁场解析”可以找到答案，可以看下。
作者: 杰1111    时间: 2016-1-26 16:55
xiaoyu19890210 发表于 2016-1-26 14:480 b  _6 w# k7 n% @- {, w3 w3 `
网上有篇文章“差分信号回流路径的全波电磁场解析”可以找到答案，可以看下。

# h3 {" [0 t  T8 X% g9 c好的，谢谢3 N$ F% Y  o2 l! ]5 W& @
作者: wangshilei    时间: 2016-1-29 11:52
喜欢转支边脑子的人支持你
作者: pex857617729    时间: 2016-2-1 20:39
受教了
作者: greg2015    时间: 2016-2-18 11:46
深入学习，理论指导实践
作者: dengbaba    时间: 2016-3-23 15:17
想问问楼主，上面的波形是用什么软件仿真出来的
作者: getmore    时间: 2016-3-25 08:04
高手如林，小辈大饱眼福！
作者: hongyu0322    时间: 2016-3-25 12:05
要看疊構，不過一般PC/NB上的差動訊號都不是真實差動訊號，大部分回流還是GND
作者: zengfanhua123    时间: 2016-4-5 17:01
都是大神哇
作者: 歪头歪脑    时间: 2016-4-12 18:52
看看
作者: 563973025    时间: 2016-5-16 11:31
分析的不错
作者: 小路    时间: 2016-9-12 16:33
这个讨论不错，学习学习！
作者: MaxEnding    时间: 2016-9-21 12:02
赞，学习！
作者: raytingg    时间: 2016-10-5 01:15
不错！！！
作者: raytingg    时间: 2016-10-5 01:17
谢谢分享，好图！
作者: JOING    时间: 2016-11-2 20:24
杰1111 发表于 2016-1-18 17:52- U. Y  M5 I" Z& \$ a
请教下，平面切换时，为什么单线的影响要大些啊
# ?- f6 T9 }1 s1 p$ @4 @( H
我的理解是：单线通过过孔进行平面切换时，返回路径不连续，信号通过平面间电容返回，阻抗变大，信号质量下降，而使用差分线时，通过差分线过孔返回，阻抗不连续相对来说更小，信号质量更好。
- P. _  l. [. s0 _. O



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