高速信号下的差分阻抗与回流路径

随着USB 3.0、HDMI、PCIe等高速接口的普及差分信号传输已成为主流。差分阻抗的控制比单端阻抗更为复杂它不仅涉及两根线自身的阻抗还涉及线间的耦合效应。​一、差分对的耦合机制差分阻抗是指两根信号线传输相反极性信号时两根线之间的阻抗。当差分对的两根线靠得很近时它们之间存在电场和磁场的耦合。这种耦合会改变单根线的阻抗特性。线间距越小耦合越强差分阻抗值就越低。因此在设计差分线时线宽和线距是两个必须同时优化的变量。通常我们要求差分对内“等长、等距”以维持阻抗的连续性。二、共模阻抗与电磁兼容除了差分阻抗还有一个概念叫共模阻抗即两根线同时传输相同信号时对地的阻抗。虽然差分信号主要利用差模传输但在实际电路中由于驱动器的不平衡或传输路径的不对称不可避免地会产生共模信号。共模信号是电磁干扰的主要来源。如果共模阻抗过低共模电流容易通过地平面回流产生辐射。因此在设计中我们既要保证差分阻抗匹配如90欧姆也要关注共模阻抗避免天线效应。三、参考平面的完整性对于差分对而言回流路径同样至关重要。很多人误以为差分信号不需要参考平面因为电流在两根线之间互为回路。事实上高频信号总是寻找电感最小的路径。如果参考平面不完整如跨分割回流路径被迫绕道会导致回路电感剧增阻抗突变。这不仅会破坏差分信号的平衡性还会将差模信号转化为共模信号向外辐射干扰。因此差分线下方必须有完整的地平面严禁跨分割走线。四、过孔对差分阻抗的影响当差分信号需要换层时必须打过孔。过孔会引入寄生电容和寄生电感导致局部的阻抗不连续。对于高速差分信号这种不连续会引起反射。为了减小影响设计时应在过孔附近放置接地过孔为回流电流提供最近的返回路径。同时可以采用背钻工艺去除过孔的残桩减小容性负载从而改善阻抗匹配特性。