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    学习笔记之差分线的那些事

    来源:一博科技 时间:2018-12-24 类别:微信自媒体

    作者:周伟  一博科技高速先生团队队员

    记得在刚学习差分线(对)的时候,总是对一些概念把握不准,很多概念都会混淆,比如差分(很多人还会误解成差模)、共模、奇模与偶模,以及由此?#30001;?#20986;的差分阻抗、共模阻抗、奇模阻抗与偶模阻抗,光是这些概念,就很容易让初学者望而却步,?#31449;?#24471;好像摸着点了门道,但越往下看越觉得摸不着头脑,概念太多太容易混乱,这就是初学者的痛苦。好吧,要想完全理解,没有个两三遍回炉是很难入信号完整性之门的,除非过目不忘哈。

    ?#27604;?#25105;没有过目不忘的本事,所以就只能把书老老实实的看了一遍又一遍,然后才有了一些学习的笔记,记录了对这些概念的个人理解。

    差分线本身没有任?#25991;?#28085;,就是两根普通的单端传输线(一般默认线宽线厚一致)的组合而已,它们之间可以没有任何关系,最?#31449;?#23450;它们特性的其实是这两条传输线上的信号传输方式,在这里主要介绍两种比较特殊的传输方式,奇模与偶模传输,它们都可以实现无失真的传输。奇模就是两线上有大小相等方向相反的驱动电压,偶模就是两线上有大小相等方向相同的驱动电压。它们是信号传输的方式,又叫激励状态,相对人而言,模态赋予了差分线的生命和精神,没有激励,差分线只是肉体而?#36873;?#23545;于无失真的传输来讲,差分线有奇模状态和偶模状态之分,它们可以用如下图一来表示。

     
    图一   奇、偶模状态

    在奇模状态下,加载在两根传输线上的电压我们叫做差分信号,这两个信号达到接收器时,接收器从两个信号的差值中提取信息,这个差值信号就是差分信号。同时,接收端还能感受到另一种信号,这个信号就是两条传输线上的平均电压,我们把这个平均电压叫做共模信号。如下图二所示。
    图二   差分信号与共模信号

    通过?#36132;?#25105;们就能知道差分信号和共模信号其实是两个单端信号的组合,可以通过下面两个公式得到差分电压和共模电压的值。
    同时差分与共模是共存的,他们是两个信号之间的两种不同分量,所以V1V2也可以由Vdiff和Vcomm来表示如下。
    同时我们也可以看到,组成差分信号的两根单端信号在传输线上传输仍要遵循单端信号传输的各种规律,所以我们在看DDRx时钟信号质量时,既要看差分信号质量,同时还要分别看单端信号的质量情况。一般我们不看共模信号,通常它不携带有用信息,理想情况下,共模信号是恒定的,但很多情况下我们的传输线不可能完全对称,所以就会带来共模分量的改变,这个分量会带来潜在的EMI问题。

    根据上面的理解,当差分线上传输的是差分信号时,此时差分线处于奇模状态,那么每条单根信号线的阻抗就叫奇模阻抗,简单来说奇模阻抗就是当差分线处于奇模状态时的每条单根信号的特性阻抗,它是每条单端信号线与其返回路径之间的阻抗,所以奇模阻抗是针对单根信号来说的。而差分阻抗是差分信号沿着差分对传输?#22791;?#21463;到的阻抗,它是两根单线阻抗(奇模阻抗)的串联,在线宽线厚一致的情况下,差分阻抗等于奇模阻抗的2倍,即Zdiff=2*Zodd。

    同样,当差分?#28304;?#20110;偶模状态时,此时每条单根信号线上的阻抗就叫做偶模阻抗,偶模阻抗和奇模阻抗一样,都是针对单根信号来说的。那共模阻抗?#36136;?#24590;么回事呢?这里要简单的区分一下,共模阻抗其实是纯共模信号的产物,还记得我们前面说的共模信号与差分信号是共存的,它是两信号线电压的平均值,但纯共模信号一般指的是在两信号线上施加大小相等方向相同的电压,此时差分对正好处于偶模状态。而纯共模信号沿着差分对传输?#22791;?#21463;到的阻抗,它是两根单线阻抗(偶模阻抗)的并联,我们通常叫这个并联阻抗为共模阻抗,其实严格来说它应该叫纯共模阻抗,所以共模阻抗是最不好理解的。由于是两根相同传输线偶模阻抗的并联,共模阻抗就等于偶模阻抗的一半,即Zcomm=1/2*Zeven。
    差分阻抗与奇模阻抗,共模阻抗与偶模阻抗可以通过如下图三来描述。
     
    图三

    对于两条无耦合的50ohm传输线构成的差分对,奇模阻抗等于偶模阻抗,即Zodd=Zeven=50ohm,差分阻抗等于2倍的奇模阻抗,即Zdiff=2*Zodd= 100ohm,共模阻抗等于偶模阻抗的一半,即Zcomm=1/2*Zeven=25ohm。下图四是某阻抗计算软件得到的无耦合下的各种阻抗结果。
     
    图四

    对于两条有耦合的差分线,由于互容互感的存在,在其他条件不变的情况下,每条线的奇模阻抗将会减小,偶模阻抗将会增加,此时偶模阻抗将会大于奇模阻抗,这样会导致差分阻抗将会相对减小,共模阻抗将会相对增加,这也是为什么我们在布线的时候要求拉大信号之间的间距,因为除了串扰外,它还会影响信号的阻抗。如下图五所示为软件计算的有耦合情况下的各阻抗值。
     
    总结一下,奇模和偶模代表的是电压的传输方式,也是差分线特殊的信号激励状态,奇模阻抗是差分线处于奇模状态时单根线的特性阻抗,而此时差分信号感受到的阻抗就是差分阻抗;偶模阻抗是差分线处于偶模状态时单根线的特性阻抗,此时共模信号感受到的阻抗就是共模阻抗,其实叫纯共模阻抗更准确一点。


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