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[仿真讨论] 【讨论】差分线的回流路径

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发表于 2013-9-11 19:49 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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x
        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。
# A3 D' ?/ R5 u& I       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。
/ I6 a& Q, W- x9 g       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。
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发表于 2015-3-6 21:20 | 只看该作者
本帖最后由 criterion 于 2015-3-6 21:21 编辑
# [3 Q& L1 q/ }, r
3 l4 [" h* Y: @. N- Z. k' ^3 d: @
分几点来讨论好了
1.      , H4 F0 V! [. v; A, ?

3 w5 A7 j6 x5 Y
KCL可知  一个节点若有电流流出   肯定会有等量的电流流入
- y. }# y1 T2 Y. E1 k" u

) _: ?/ ~, Q- g7 k
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 :
8 N/ K7 v1 s  z" O4 a# y+ o

1 g1 n& g+ @* I2 c
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。

) A8 i0 ^) ^  L/ [2 U. }) v

8 v6 d/ D# W0 N1 Z0 U- R
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,
4 \- u) {7 r+ ?2 O' _( X( C- V3 Z

, ~  f2 J+ J! D  r/ {
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。

0 |& q- j' p1 G
6 h( U  }5 z: ~; a
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1 x2 M' D  Q! m/ m) O# c1 W% u4 y+ M
4 \% G/ h5 j  e7 [, u0 k: ]
" C1 S* A  p8 \0 L
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。

2 O6 M( V. B1 g
" D7 h( D- m, M" q
但表层走线若要达到100奥姆,其间距差不多要10mil

8 L- D2 w( [4 p% w
: @, ~: l: q1 y+ @- P
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。
! y# z$ G! i% ]( {6 f

& R- W: V1 r4 I
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。
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。
) {' A% \! r/ X" m

' I) J3 W8 ]* m4 [
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 :

# t* H+ t$ v$ n4 R9 k7 b0 r

4 R- w6 z$ U, i, j
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。
' |* N4 d& a0 W
/ b' y& D2 \7 i( o' r- ^8 [2 m
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,
! m% @4 r1 j' B$ d9 B( e4 L
% u9 y: N" H& t8 K2 W2 M0 q0 r1 d
而由下图可知,差分讯号经过开槽时,会产生GND Bounce。

& j4 ~0 |6 O( z# P

4 W  M* c: M& c( F
所以可知   只要切断了差分线的回流路径
就是会有影响

- c7 r( }6 Y  B% Y( N# b! g7 [+ R* i6 h! Q! B/ \5 c
其他详情可参照
在此就不赘述
3 A9 {9 c# W1 S7 K

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发表于 2013-9-18 14:12 | 只看该作者
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。
' ~* e* j: E  _( [1 H  L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 B; O' h6 j. e' j- M/ p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。8 v- S+ o7 \( l( t! Z$ l4 e
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。; B# D2 a1 A  \; {* [
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。

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发表于 2013-9-18 13:29 | 只看该作者
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……
& Z6 O. a  _* W6 d7 ]$ A3 B4 T
, @# X+ S8 S5 n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。

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发表于 2013-9-17 18:58 | 只看该作者
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。

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请问下,是谁的版本的啊  详情 回复 发表于 2016-1-18 17:53

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 楼主| 发表于 2013-9-18 09:22 | 只看该作者
飞雪逐青 发表于 2013-9-17 18:585 y' R, ~$ X% B+ a$ \0 i  {
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 ...

9 q6 A+ U* v2 b2 T2 r多谢回复,我去看看。

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 楼主| 发表于 2013-9-18 13:31 | 只看该作者
Nelson 发表于 2013-9-18 13:29
. P; _3 u! c$ b2 @$ ^3 ^$ q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……+ B- \( ^( H" [
2 n8 S5 D& W( u* M$ q- O4 Y9 u! ?
但说 ...
: z3 n: b' x7 \4 U
我也是这么想的。不知道实际是什么样子的。

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发表于 2013-9-18 13:50 | 只看该作者
lzscan 发表于 2013-9-18 13:318 D3 z) I  o6 {$ k& K
我也是这么想的。不知道实际是什么样子的。
4 X/ W4 E0 U- |
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!

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发表于 2015-3-19 19:19 | 只看该作者
8楼讲的太详细了,赞一个

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发表于 2015-3-24 16:02 | 只看该作者
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

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你就是高手啊,太谦虚了。  详情 回复 发表于 2015-3-24 19:46

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发表于 2015-3-24 19:46 | 只看该作者
wdc 发表于 2015-3-24 16:025 m; A) ^- C7 b5 V' d- @
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 ...
0 f( |8 q2 k* A& [) a& g
你就是高手啊,太谦虚了。
, I6 @: I& h: u' X' W( k( z% v, b& v

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发表于 2016-1-8 10:15 | 只看该作者
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发表于 2016-1-17 22:42 | 只看该作者
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。

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请教下,平面切换时,为什么单线的影响要大些啊  详情 回复 发表于 2016-1-18 17:52

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发表于 2016-1-18 17:52 | 只看该作者
xiaoyu19890210 发表于 2016-1-17 22:42$ m1 K; g' Q* ~, R2 J3 }3 q
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 ...

. V0 x! @; i+ c) z请教下,平面切换时,为什么单线的影响要大些啊1 I. F# m- O0 N' w' L% U

点评

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。  详情 回复 发表于 2016-11-2 20:24
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。  详情 回复 发表于 2016-1-26 14:48

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发表于 2016-1-18 17:53 | 只看该作者
飞雪逐青 发表于 2013-9-17 18:58( t. I2 t' X5 }- N" `
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 ...
7 A' o- V+ k4 [8 X- G- D
请问下,<信号完整性>是谁的版本的啊' i! i, g( i* `+ f/ s6 K! l, ~

点评

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!  详情 回复 发表于 2016-1-20 08:58
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