高速系统设计自学笔记——理论基础6

最新推荐文章于 2024-12-04 11:24:00 发布

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差分传输线

近年来，随着高速信号技术的发展，对高速信号的传输提出了更多的要求，比如低摆幅、低功耗及抗干扰等。差分传输线独特的传输特性使它在高速串行信号传输领域得到了广泛的应用，差分传输线的几何结构如下图所示。

和单端传输线一样，差分传输线也有微带线和带状线两种形式。其等效电路模型和分析方法和单端信号基本一致。

当在这样相邻的两条传输线上进行高速差分信号传输时，会有两种情况。

1.差模信号方式

如图所示，信号驱动端发出的是极性相反的信号： $V_{p}$ 和 $V_{n}$ 。此时在这两条传输线上的传输电流为：

$i_{1}+k\cdot i_{2}$ 和 $i_{2}+k\cdot i_{1}$ ，其中k为两条差分传输线的互耦合系数。

因此，这两条传输线中的任意一点的电压为：

$V_{1}=Z_{11}\cdot (i_{1}+k\cdot i_{2})=Z_{11}\cdot i_{1}+Z_{11}\cdot k\cdot i_{2}$

$V_{2}=Z_{22}\cdot (i_{2}+k\cdot i_{1})=Z_{22}\cdot i_{2}+Z_{22}\cdot k\cdot i_{1}$

$Z_{11}$ 和 $Z_{22}$ 为两条传输线的特征阻抗。经过仔细的设计，使两条传输线的各参数平衡的情况下，我们有：

$i_{1}$ 和 $i_{2}$ ，大小相等，方向相反， $i_{1}=-i_{2}$ ；
单线阻抗 $Z_{11}=Z_{22}=Z_{0}$ ， $Z_{0}$ 是单端传输线特征阻抗。

此时，上式变为：

$V_{1}=Z_{11}\cdot i_{1}(1-k)=Z_{0}\cdot i_{1}(1-k)$

$V_{2}=Z_{22}\cdot i_{2}(1-k)=Z_{0}\cdot i_{2}(1-k)$

因此，在这种传输模式下，从单个传输线的角度来看，差分模式下的传输线的特征阻抗如下式表示：

$Z_{Odd}=\frac{V_{1}}{i_{1}}=\frac{V_{2}}{i_{2}}=Z_{0}\cdot (1-k)$

2.共模信号方式

如图所示，与差模传输方式不同的是，信号驱动端发出的是极性相同的信号： $V_{p}$ 。此时这两条传输线上传输的电流为：

$i_{1}+k\cdot i_{2}$ 和 $i_{2}+k\cdot i_{1}$ ，其中k为两条差分传输线的互耦合系数。

同样经过仔细的设计，是两条传输线的各参数平衡的情况下，我们有： $i_{1}$ 和 $i_{2}$ ，大小相等，方向相同， $i_{1}=i_{2}$ ，这是和差模信号方式不同之处。

此时，上式变为：

$V_{1}=Z_{11}\cdot i_{1}(1+k)=Z_{0}\cdot i_{1}(1+k)$

$V_{2}=Z_{22}\cdot i_{2}(1+k)=Z_{0}\cdot i_{2}(1+k)$

然而，需要特别注意的是，此时，由于共模信号方式在两条传输线上各点分布的是同极性电压，而且是同向电流，因此，共模信号方式下，每条传输线的回路是真正的地平面。两条传输线之间，除了耦合之外，是相对开路，即独立状态。而在差模信号方式下，两条传输线之间建立紧耦合电场模式，相互作为回路参考平面从而使得其中一条单线上的电流会沿着另外一条传输线反向流回，在电气回路上不需要参考地平面参与，造成参考地平面成为虚设，也就是常说的虚地状态。

这样，按照以上的分析，共模信号方式下，流入地端的电流是两条传输线上的电流总和。因此共模信号的传输阻抗为：

$Z_{Even}=\frac{V_{1}}{i_{1}+i_{2}}=\frac{V_{1}}{2\cdot i_{1}}=\frac{1}{2}\cdot \frac{V_{1}}{i_{1}}=\frac{1}{2}Z_{0}\cdot (1+k)$

差分阻抗

通过以上的分析，我们了解了在差分传输线中信号的传输特征，以及信号方式的不同会使得差分传输线的阻抗也不同。但需要注意的是，以上的分析是分别建立在差模信号和共模信号相互独立的基础上的。而在实际应用中，差分信号以如下的方式进行传输。

差分信号驱动端发出的信号是：

$V_{p}=V_{Even}+\frac{1}{2}V_{Diff}$

$V_{n}=V_{Even}-\frac{1}{2}V_{Diff}$

驱动端输出的信号同时具有共模和差模信号分量，是差模信号和共模信号的混合模式。而在接收端输入的有效信号则是：

$V_{Diff}=V_{p}-V_{n}$

这样，我们可以看出，每根传输线上只具有一半的差分信号能量，其差模传输阻抗为 $Z_{Odd}=Z_{0}\cdot (1-k)$ 。所以从整个要传输的差分信号 $V_{Diff}$ 的角度来看，其传输阻抗就应该为单线差模阻抗的两倍（因为实际的单根传输线上的传输电流没有改变，而最终接收端收到的差分信号逻辑为完整的 $V_{Diff}$ ），即：