串行总线---差分互联（一）

2017-04-10 by:CAE仿真在线来源:互联网

互为参考,在设计时可以把参考层拿掉吗,为什么?

大家回复的都很正确,在设计差分对的时候,参考地不仅不能拿掉,还应该认真对待。差分线的跨分割,在高速差分线的设计中同样是不被允许的。总结一下大家的回答,重视差分线参考平面的设计,主要出于以下三个原因:

差分阻抗控制的需要

这里直接引出了差分阻抗的概念,差分阻抗其实可以看做两个单端信号线等效阻抗的串联(注意:这里说的是等效阻抗),单根线如果没有参考平面,无法控制阻抗。同样,差分线如果没有参考平面,阻抗控制就会变得很困难。想象一下,如果没有参考平面,我们怎么设计出100欧姆的差分阻抗?我们使用软件来计算一下,将信号与参考层的间距拉得很远,用来模拟没有参考平面的情况。

如上图所示,如果没有参考层,差分阻抗是远高于100欧姆的,要想差分阻抗达到100欧姆,就必须减小两根单线的间距,如下图:

当前条件下,只有当两线间距小于3mil的时候,没有参考地的差分阻抗才能接近100欧姆。这么小的走线间距,工艺上实现起来会很困难,像这种超级紧密的耦合也会带来其他问题。

2.信号回流的需要

这一点,网友Jasen回答的较全面了,我把他的答案截取了下来,如下图:

通常,差分信号的回流还是大部分集中在返回路径上,如下图,图中耦合微带线的线宽为5mil,两线间距为5mil,信号频率为100MHz,图中明亮的颜色表示较高的电流密度。平面中的电流密度约为线条中的10倍。

就像网友“烟火“说的,参考平面是大路,相邻信号线只能算“乡间小路”,在有参考平面的时候,信号回流更倾向于走“大路”。

3.EMI控制的需要

参考平面给信号提供回流的同时,也将差分信号附近的电磁场最大程度的控制在信号线与参考层中间,从而减小了信号的辐射效应。

综上所述,参考平面对差分对来说,也是十分重要的。在多数板级互连中,信号线与平面间的耦合度远大于两信号间的耦合度,所以此时平面中的返回电流十分重要。然而,若返回路径被移开,例如出现了间隙,则两信号间的耦合起主要作用。在接插件连接处,一根引脚的返回电流基本上可以看做另一根引脚来传送。

至此,我们对差分线以及差分信号的回流又有了更深刻的认识。文章中提到了差分阻抗,讲到差分阻抗,信号的模态又是一个绕不开的话题,对差分对模态感兴趣的网友一定要继续关注下期的文章,谢谢!

(以下内容选自网友答题)

首先差分电路对于类似地弹以及其它可能存在于电源和地平面上的噪音信号是不敏感的,但并不表示其两边以及下方的参考地平面就可以去掉。地平面的部分回流抵消并不代表差分电路就不以参考平面作为信号返回路径,其实在信号回流分析上,差分走线和普通的单端走线的机理是一致的,即高频信号总是沿着电感最小的回路进行回流,最大的区别在于差分线除了有对地的耦合之外,还存在相互之间的耦合,哪一种耦合强,那一种就成为主要的回流通路.在PCB电路设计中,一般差分走线之间的耦合较小,往往只占 10~20%的耦合度,更多的还是对地的耦合,所以差分走线的主要回流路径还是存在于地平面。当地平面发生不连续的时候,无参考平面的区域,差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路,尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线来的严重,但还是会降低差分信号的质量,增加 EMI

@ Jasen

评分:3分

不可以。控制阻抗需要完整的参考平面;现实中平面上也会有返回电流;有地参考平面可以减少共模干扰。

@ YUAN

评分:3分

记得之前高速先生讲解时序时,用恋人、爱人来比喻源同步和串行时钟。让我们这些门外汉也能品味出绕线之美,对周工心生敬佩。即将步入婚姻殿堂的恋人,对外面世界充满憧憬,“世界很精彩,我想去看看,你愿意和我走遍世界吗?”,“不管多么困难,我都要和你在一起”。是啊,爱人就是彼此的世界(差分互相回流)。随着年龄、金钱的变化(速率提高),家的概念在彼此心头升腾,在工作的城市租个小屋(阻抗建立),下班一起回家,一起吃饭,一起和宝宝做游戏。工作的辛苦,生活的不如意在这刻被欢笑取代,家,是两人的港湾(信号回流)。我们是夫妻,互相包容互相关爱,但也是公民、员工,担负相同的责任。若没有家,怎么会“你我一争吵很快就喊停”。若没有家,我们的喜悦和苦恼(共模信号,EMI)如何分享和分担(共模回流,EMC)。

@ 山水江南

评分:2分

不能去掉参考平面;1、参考平面的作用有:与信号线一起构成传输线结构、能承载返回电流及控制阻抗等。(对于以太网口这种挖空铜皮、无参考平面的特殊差分对,在选择计算阻抗的模型时,一般就当作是参考平面在极远处。) 2、对于差分对,一条走线的返回电流路径主要集中在参考平面。从电感角度来说,流过参考平面的电流会大于流过另一条走线的电流;从耦合的角度分析,参考平面上以及另一条走线上都有返回电流,但参考平面上的返回电流远大于另一走线上的返回电流。参考平面对差分对很重要。 3、工程中,使用差分方式传输的信号往往都非常重要,因而更应该注意参考平面的连续性。

@ ly

评分:3分

不对。 1,差分耦合比重占据比例比参考平面的耦合还低,只有没有参考面才会考虑差分对间的耦合方式,导致信号质量,emi问题相对差一些。 2,差分的回流路径主要是差分对间,但是不等长等形成的共模还是靠参考平面回流。如果此时去掉会导致部分回流面积过大,引入emi等问题。 3,没有参考平面阻抗控制本身也是个问题。

@ hk

评分:3分

要看具体问题,差分信号线离参考层的距离和差分线间的距离,那个距离小。那个就是最佳的返回路。径。合理的利用参考层。

@ 侧卫

评分:2分

对于一般PCB上的差分线而言:首先,差分线对参考平面的耦合紧密于线间耦合,主要回流路径是参考平面;其次,常见的差分输出/输入级是构建在单端信号基础上的差分,需要工作在适当的共模范围。因此,对未经处理的一般差分线,需要低阻抗的地环路,即较为完整的随路参考层。

@ 水号

评分:3分

不可以。因为所有的差分信号参考的平面还是地平面或是电源平面,差分信号只是提高了抗干扰和增强emi emc效果,就像文中图中两个船的比较,首先要在海平面上

@ zhl

评分:2分

1,如果输入的差分信号插座带有地信号,参考地平面不能去掉。2,如果输入的差分信号插座不带地信号,可以去掉参考地平面,也可保留参考地。3,为消除可消除共模干扰建议保留参考地

@ 小叶紫檀

评分:1分

1,以太网为例,输入的差分信号没有地,且电压较高,故这种差分不需要参考平面,但经过网络变压器转换为低电平差分信号后,需要参考平面,抑制共模干扰。2,以usb为例,输入的差分信号有地信号,有电源,电压低,故此种信号需要参考平面

@ 海鸥

评分:1分

差分走线时不可以把参考平面拿掉,因为 1.差分线理论上是不需要参考平面,但在长度不匹配时参考平面可以产生信号回流的 2.参考平面也差分线保持阻抗一致的重要确定因素,如果没有参考平面,很容易出现因阻抗差异导致的信号完整性的问题,尤其在信号速率比较高时,问题会更严重

@ 飞飞

评分:3分

在理想状态下(均匀无损导体和介质),当走线耦合度远大于走线与回流层耦合度的情况下,可以移除回流层。但是,第一:不存在理想状态,走线的电流密度分布肯定存在差异,差异将导致信号质量下降和辐射,表象就是阻抗不均匀;第二:耦合程度,当走线与平面耦合程度超过走线两者时,走线回流大部分走回流层,由于没有回流层,多余电流密度到处乱窜,也会引起信号质量下降和辐射。

@ 大海象

评分:3分

板级的差分线一般都是松耦合,差分线之间的返回电流比较少,而参考平面返回电流占了主要部分。如果没有参考平面,差分线的阻抗会变得很大

@ Unbox

评分:3分

最好还是保留参考层,因为差分信号互为参考是建立在传输差模信号的基础之上的,如果存在共模信号,没有参考层会带来EMI问题。比如以太网线,正常情况下都是传输的差模信号,所以在网线的4对双绞线中是没有地的,但在PCB中,从接口到变压器之间会保留PGND,这就是为了解决雷击等产生的共模干扰问题。同时,PCB加工过程中,阻抗的测量也需要参考层才可以准确控制。

@ 绝对零度

评分:3分

参考层的作用是为共模信号作为返回路径和控制差分阻抗。

@ 中*臣

评分:2分

分两种情况,第一种:输入的差分信号插座带有地信号,此时参考地平面不可以去掉。第二种:输入的差分信号插座不带地信号,则可以去掉参考地平面,也可保留参考地,建议保留参考地,消除可消除共模干扰

@ Ben

评分:1分

肯定不能去掉参考层呀。高速信号回流总会选择感抗最小的路径。差分信号之间的耦合度比较小,大约在3%到18%左右,之前也有文章也到过,其偶合更高的其实还是它的主要参考层,因此差分信号的主要回流路径还是它的主要参考层,只有出现跨分割的情况时,差分信号大部分的回流才走差分对。而此时的共模信号回流就要走比较长的路,会导致比较严重的共模干扰,引起EMI问题。这就好像有条大路你不走,非要走条乡间小路,何必呢?

@ 烟火

评分:3分

不可以,对于差分信号其主要回流路径还是参考地,参考平面不连续影响小并不是没有影响,还是会降低信号质量,增加EMI风险,另外无参考平面,阻抗控制也比较麻烦

@ Ku

评分:3分

理论上的差分线是等长的,介质是均匀的,所以可以不要参考地平面。而实际上,PCB的走线不可能等长,而且PCB的纺织布类似于田字格,那么两根差分线不可能均匀的分布在田字格上,造成阻抗不均匀,实际上地平面上还是有返回电流的,所以,结论是——差分线也需要完整的参考地平面。

@ Allison Ye

评分:2分

不可以,差分线的回流路径还是地平面,差分线与地平面的耦合可以增加抗emi的能力,而且没有参考面不好做阻抗控制。

@ 涌

评分:2分

不可以。因为拿掉参考平面,传输线缺少参考面,导致阻抗不连续,EMI,EMC问题也随之而来;差分对除了两根信号线(P/N)之间相互耦合外,还对参考平面有耦合,耦合较强的就成为主要回流路径。缺少了参考面,就缺少了一种回流路径,在很多时候信号的影响不容忽视。

@ Jamie

评分:3分

不能把参考层去掉啊,差分线是需要相对完整的参考地平面的。首先,差分线的主要回流路径还是参考层的,只是跨分割时两线可以互为参考一下,主要路径不能给去掉啊。其次,如果没有参考层,共模信号没发搞定,带来EMI问题。再者就是,如果没有参考层,阻抗控制没法实现啊。

@ 杆

评分:3分

不可以,参考平面与差分构成传输结构,返回电流在参考平面占了主要回路,如果没有参考平面,差分线的阻抗无法控制,并且抗共模干扰会减小,另对于共模差分的话,EMI问题较大。

@ 刘栋

评分:2分

差分线的参考层不可以去掉。因为:一、传输结构需要参考层——参考平面与信号线一起组成传输结构,参考层能承载返回电流而且差分线的主要回流路径还是经过参考层的。二、差分线需要相对完整的参考地平面。三、板厂在PCB生产加工过程中,阻抗的控制也需要参考层才能准确控制。四、没有参考层的话,对于共模信号会带来EMI问题。参考层的存在有助于减少共模干扰。

@ 龍鳳呈祥

评分:3分

差分线的参考层不能拿掉。差分线是互为参考的,来表示逻辑高低。但差分线的参考层是必须的,拿掉参考层可能导致阻抗不连续,信号产生突变,背离了差分原则。地平面的部分回流抵消并不代表差分电路就不以参考平面作为信号返回路径,从信号回流角度分析,差分走线和普通的单端走线的机理是一致的,即高频信号总是沿着电感最小的回路进行回流,最大的区别在于差分线除了有对地的耦合之外,还存在相互之间的耦合,哪一种耦合强,那一种就成为主要的回流通路。当地平面发生不连续的时候,无参考平面的区域,差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路。尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线严重,但会降低差分信号的质量,增加EMI,并不可取。

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才