差分線的間距和耦合怎么選？緊密還是松散你知道么

之前收到很多關(guān)于走線阻抗以及如何計(jì)算正確走線尺寸以達(dá)到可制造 PCB 中特定阻抗的問題。與確定單端走線的適當(dāng)走線寬度一樣重要的是確定差分對(duì)中兩條走線之間的適當(dāng)間距。所以問題是，差分對(duì)中的走線需要彼此靠近多近，“緊密耦合”的需求真的有必要嗎？

該設(shè)計(jì)指南的有趣之處在于，它可能是唯一定義最差的 PCB 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法則。數(shù)字意義上的“松耦合”或“緊耦合”究竟是什么？如果你問 10 位不同的信號(hào)完整性專家，你會(huì)得到 20 種不同的答案！

在本文中，我們希望在差分對(duì)間距方面更接近于緊耦合與松耦合的真實(shí)描述，以及差分對(duì)間距如何影響阻抗、差模噪聲、共模接收噪聲和終止。正如我們將看到的，關(guān)注緊耦合（無(wú)論它是什么意思）有其優(yōu)點(diǎn)，但由于錯(cuò)誤的原因，它經(jīng)常被認(rèn)為是必要的。

讓我們看一下我上面提到的每個(gè)維度，以確切了解差分對(duì)間距在何處起作用，以及如何設(shè)置適當(dāng)?shù)闹怠?/span>

差分對(duì)中受間距影響的主要參數(shù)是阻抗。差分對(duì)的阻抗取決于每條走線的自電容和自感，以及每條走線之間的互電容和互感。這意味著不同 l 對(duì)的典型阻抗公式需要分解為奇數(shù)阻抗和差分阻抗，其定義如下：

奇模和差模阻抗公式。

互感和電容的存在使兩對(duì)分別具有等效的總電感和電容。在上面的方程中，我們忽略了損耗（傳輸線阻抗方程中的 R 和 G），但沒關(guān)系，這里的重點(diǎn)是注意間距。

差分對(duì)中的兩條走線之間存在互感和電容。

• 將線對(duì)放置得越近，差分阻抗越小，因?yàn)?/span>L M和C M變大。既大號(hào)中號(hào)和?中號(hào)收斂于零間距趨于無(wú)窮。

換句話說，如果您的設(shè)計(jì)是為了達(dá)到差分阻抗目標(biāo)（例如標(biāo)準(zhǔn)中指定的或根據(jù)測(cè)量確定的），那么您不能將兩對(duì)靠得太近，否則您將不會(huì)違反阻抗目標(biāo)作為差分阻抗會(huì)太小。但是，較小的間距會(huì)使沿路徑長(zhǎng)度的兩條跡線之間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)集中，從而增加損耗。

兩條走線之間的互感和互電容不容易計(jì)算，也沒有簡(jiǎn)單的封閉式公式可以使用。一些研究文章中有一些較長(zhǎng)的公式，但它們非常長(zhǎng)且笨拙。更好的選擇是使用帶有內(nèi)置計(jì)算器的疊層編輯器。此類實(shí)用程序通常使用電磁場(chǎng)求解器來確定差分對(duì)的阻抗，而不是確定互電容和電感。

差分對(duì)有時(shí)被描述為不受串?dāng)_影響，盡管并不總是說明這是來自單端信號(hào)還是差分信號(hào)。無(wú)論如何，事實(shí)是差分對(duì)無(wú)法避免來自差模噪聲源或共模噪聲源的串?dāng)_。要了解有關(guān)前者的更多信息，您可以閱讀這篇關(guān)于差分串?dāng)_的文章。

源自串?dāng)_的共模噪聲呢？如果您正在查看在附近的差分模式對(duì)中引起信號(hào)的單端干擾走線，現(xiàn)實(shí)情況是您永遠(yuǎn)無(wú)法保證完全抑制共模噪聲，無(wú)論您在差分模式中將兩條走線走多近一對(duì)。然而，更緊密的耦合確實(shí)有幫助。

要了解原因，我們只需要看看來自單端侵略者軌跡的場(chǎng)是如何在空間中傳播的。由于場(chǎng)隨著與走線的距離而下降，差分對(duì)中較近的走線比較遠(yuǎn)的走線接收到更多的噪聲。

干擾源走線輻射的場(chǎng)隨著距離的增加而減弱，因此差分對(duì)中每條走線接收到的噪聲可能不相等，并且無(wú)法被差分接收器完全消除。

在這里，我認(rèn)為最佳解決方案是將單端走線從差分對(duì)移得更遠(yuǎn)，而不是僅僅將差分對(duì)放置得更近一些。如果這不是一個(gè)可行的解決方案，那么較小的間距將產(chǎn)生相同的效果，但沿差分對(duì)的損耗更高。

還有一種說法是差分對(duì)不**** EMI。這也是不真實(shí)的；如果這是真的，那么我們將無(wú)法測(cè)量差分串?dāng)_。然而，來自差分對(duì)的輻射 EMI 處于差分模式，因此它不如從單端走線或一組走線發(fā)出的噪聲強(qiáng)。這就是您可以在差分鏈路上運(yùn)行極高速串行數(shù)據(jù)而不會(huì)經(jīng)常失敗 EMC 測(cè)試的原因之一：與通過單個(gè)跡線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所看到的噪聲相比，噪聲要小得多。

由于差分 EMI 僅在通過長(zhǎng)差分對(duì)路由串行數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)成為問題，因此您可能會(huì)想將差分對(duì)靠得更近以抵消噪聲。我要再次聲明，在這種情況下，損失（插入損失）更為重要。在需要使用差分對(duì)的長(zhǎng)鏈路中，損耗將主導(dǎo)通道行為，因此最好選擇更大的間距。如果開始時(shí)通道設(shè)計(jì)正確，即使數(shù)字比特流的上升時(shí)間極快（低于 10 ps），也不應(yīng)該出現(xiàn)極端的輻射噪聲問題。

在遙遠(yuǎn)的過去，在設(shè)計(jì)師可以使用豐富的 CAD 工具和專業(yè)的電子設(shè)計(jì)軟件之前，將長(zhǎng)度匹配和一致的間距應(yīng)用于差分對(duì)是一個(gè)耗時(shí)的過程。今天，PCB 設(shè)計(jì)人員被 CAD 工具寵壞了，這些工具使得將長(zhǎng)度匹配部分應(yīng)用到差分對(duì)變得非常容易。與布線工具接口的設(shè)計(jì)規(guī)則還可以非常輕松地在差分對(duì)中的每條跡線之間應(yīng)用一致的間距，如果需要，包括非常緊密的間距。

盡管在傳統(tǒng)端接方法和差分阻抗目標(biāo)的范圍內(nèi)可能沒有必要，但我們看到使用小間距的幾個(gè)原因：

• 降低差模噪聲****和差分串?dāng)_

• 將噪聲作為真正的共模噪聲接收的幾率更高

• 線對(duì)之間發(fā)出的差模噪聲較低

然而，與普遍的看法相反，選擇盡可能小的間距并不是終止所必需的，它會(huì)增加沿線對(duì)長(zhǎng)度的損耗。終止是一個(gè)很長(zhǎng)的討論，我將在一些視頻和另一篇文章中介紹?？梢栽诒疚闹姓业礁攀?，主要內(nèi)容是端接將差分對(duì)視為兩個(gè)單端信號(hào)，而不是某些差分阻抗。

當(dāng)您需要在設(shè)計(jì)中設(shè)置和維護(hù)差分對(duì)間距和特定阻抗目標(biāo)時(shí)，幾大知名的EDA廠商，都會(huì)提供完整的 PCB 布線和仿真功能，目前使用的AD就比較好用。集成布線工具為您提供完成物理布局所需的一切，同時(shí)保持幾何規(guī)則和阻抗目標(biāo)。