差分補償方式對差分信號質(zhì)量影響的研究

張靈子，向建紅，陳艷飛，陳慧杰，龔驍敏

（中國電子科技集團有限公司第五十二研究所，浙江 杭州310012）

0 引言

差分信號在一對緊耦合差分對中傳播時，應(yīng)對串?dāng)_和返回路徑中的突變的魯棒性較好[1～5]。但在實際應(yīng)用中，不可避免的要對差分線進行等長補償，這會造成差分對之間的時延不一致、抗干擾能力變差、眼圖變差等一系列問題。在差分線的補償方法中，應(yīng)用最廣泛的補償方式是2倍間距/3倍線寬。但是該方法并沒有結(jié)合實際的應(yīng)用情況考慮。本課題將根據(jù)實際中不同的應(yīng)用場景下差分信號的不同繞線方式和位置進行等長繞線并仿真驗證，以尋求最佳的差分信號補償方式。

1 差分線

差分走線上同時傳輸著差模分量和共模分量,它們共同組成所需要的差分信號[6，7]。

其中，差模信號定義為：

除了有這些攜帶我們要傳遞信息的差模分量以外，電路中還存在著共模信號。共模信號用兩條

式（1）和（2）中：

Vdiff：差模信號；

Vcom：共模信號；

V1：線1相對于共用返回路徑的信號電壓；

V2：線2相對于共用返回路徑的信號電壓。

在設(shè)計差分對時，最重要的原則是等距、等長和對稱[8]。等距能保證信號維持在一個恒定的阻抗，從而保證反射最??；等長和對稱能保證傳輸線時延相同，相位錯位最小，防止差模信號轉(zhuǎn)化成共模信號。

在理想情況下，通常認(rèn)為共模信號是恒定不變的直流。但是，實踐中不同的走線設(shè)計會造成共模信號發(fā)生改變，一個變化的共模分量將會引起兩個十分嚴(yán)重的問題：

（1）如果共模信號電壓過高，就會使差分接收器的輸入放大器飽和，使之不能準(zhǔn)確讀入差分信號。

（2）變化的共模信號，會引起 EMI（Electro Magnetic Interference）。

在工程設(shè)計中不可避免的會造成差分對之間的不等長。為了達到等長的要求，需要對差分對進行等長補償，不同的應(yīng)用場景下不同的補償方式和補償位置對共模信號的影響不同。因此選擇合適的等長補償方式對提高信號的性能至關(guān)重要，下面將對常見的3種應(yīng)用場景進行分析。信號線上的平均電壓表示，定義為

2 不同補償方式性能對比驗證

2.1 差分補償?shù)谝环N應(yīng)用場景

如圖1所示，4個135°的拐彎造成4段不等長區(qū)域（圖1中①②③④所在的位置），兩兩之間相差均小于600mil，①④距離發(fā)送端和接收端均大于1000mil，總長5000mil。本仿真是針對微帶線的模型，在SI9000中計算的參數(shù)如下：其中線寬6.4mil，線間距5.6mil，介質(zhì)厚度5mil。

圖1 第一種應(yīng)用情況走線模型

2.1.1 幾種補償方式

對上述差分繞線，分別采用一個凸起直接補償方式（后稱一個凸起方式）和常規(guī)的2S/3W方式（S表示差分對的間距，W表示差分線線寬）兩種補償方式進行補償。同時針對補償?shù)奈恢茫捎?種情況進行分析，分別是近端（信號發(fā)送端）補償、差分不等長發(fā)生處補償和遠(yuǎn)端（信號接收端）補償。這里要特別說明一下，一個凸起的差分不等長發(fā)生處補償方式，位置是位于整個線段的最中央。具體補償示例如圖1所示。

方法一：采用2S/3W補償方式在不等長發(fā)生處①②③④進行補償（St（XZFS））；方法二：采用 2S/3W補償方式在接收端⑤補償（St（XJS））；方法三：采用2S/3W補償方式在發(fā)送端⑥補償（St（XFSD））；方法四：采用一個凸起在不等長發(fā)生處⑦補償（St（DZFS））；方法五：采用一個凸起在接收端處⑧補償（St（DJS））；方法六：采用一個凸起在發(fā)送端⑨補償（St（DFSD））。

2.1.2 仿真驗證結(jié)果

（1）插損分析

圖2 插損對比

如圖2所示，分別是一個凸起方式、2S/3W方式兩種繞線方法與對應(yīng)的3種補償位置：發(fā)送端補償、接收端補償和差分不等長發(fā)生處補償?shù)牟鍝p。從圖2可以發(fā)現(xiàn)：

1）在20G帶寬條件下，三種補償位置中，一個凸起補償和2S/3W補償均在差分不等長發(fā)生處補償插損最小，與其他兩種補償方式相差在0.5dB左右。

2）不管是一個凸起的繞線方式還是2S/3W的繞線方式，在接收端和發(fā)送端繞線差損的差別可以忽略。

3）一個凸起補償方法和2S/3W補償方式引起的損耗相差不大。

4）頻率越高，接收端、發(fā)送端與正差分不等長發(fā)生處補償差別越大。

（2）相位差分析

圖3 相位比較

如圖3所示，在20G帶寬條件下，可以發(fā)現(xiàn)：

1）無論哪種繞線方法，接收端繞線和發(fā)送端繞線的相位差別并不明顯。

2）無論哪種繞線方法，在不等長發(fā)生處補償?shù)男Ч詈?，相位差最小?/p>

3）無論在接收端還是在發(fā)送端，2S/3W補償方式比一個凸起的補償要稍好，但是差別并不明顯。

為了更好的說明問題，下面將對一個凸起的補償方式和2S/3W的補償方式，在不等長發(fā)生處補償做單獨分析。

圖4 差分不等長發(fā)生處補償對比

如圖4所示，實線表示一個凸起補償方式，虛線表示2S/3W補償方式。

從相位差的角度分析：在20G的帶寬內(nèi)，一個凸起補償和2S/3W的補償方式效果差別不大；20G以后2S/3W的補償效果更好。如圖3和如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)不同補償方式均產(chǎn)生了一定的相位差。那么相位差將對信號的質(zhì)量造成多大的影響，下文將進一步仿真驗證。

2.1.3 信號質(zhì)量影響分析

（1）差共模轉(zhuǎn)化分析

圖5 差模轉(zhuǎn)共模對比

從圖5差模轉(zhuǎn)化成共模曲線可以看出：一個凸起方式和2S/3W方式在差分不等長發(fā)生處補償，其差模轉(zhuǎn)共模的值最低。

針對差分補償?shù)谝环N應(yīng)用場景，從以上三種角度分析，不同繞線方式在損耗上并沒有明顯區(qū)別，但差模轉(zhuǎn)共模相差卻很大，這是由于上文分析中提及的較大的相位差。如果兩條傳輸線上出現(xiàn)任何的延差或錯位，都會使差分信號變成共模信號。較大的差模轉(zhuǎn)共模，可能在輸出到外部差分線上產(chǎn)生EMI問題，同時如果共模信號電壓過高，就會使差分接收器的輸入放大器飽和，使之不能準(zhǔn)確讀入差分信號。

（2） 眼圖分析

理論上來說，如果差分線的兩條線之間沒有耦合，會導(dǎo)致抗噪聲能力下降。故對抗干擾能力進行分析。下面選取一個凸起補償方式和2S/3W補償方式在接收端與不等長發(fā)生處繞線補償，對所對應(yīng)的眼圖進行分析。

圖6 眼圖對比

如圖6所示：a）一個凸起方法在差分不等長發(fā)生處補償；b）2S/3W方法在差分不等長發(fā)生處補償；c）一個凸起方法接收端補償；d）2S/3W方法接收端補償。

從抗干擾的眼圖中可知：

1）不管是一個凸起方法還是2S/3W方法，在接收端補償比在差分不等長發(fā)生處補償?shù)目垢蓴_能力明顯較差。

2）在差分不等長發(fā)生處補償時，一個凸起方法進行補償和2S/3W方法進行補償?shù)目垢蓴_能力幾乎相同。

3）相位差越大，對外的抗干擾能力越差。

2.1.4 本節(jié)總結(jié)

本節(jié)從6種不同角度分析，得出以下結(jié)論：

（1）無論哪種補償方式，在差分不等長發(fā)生處補償比在接收端和發(fā)送端補償效果好；接收端補償和發(fā)送端補償?shù)男Ч嗖畈淮蟆?/p>

（2）差分線中存在多個不等長處，且兩兩之間相差均小于600mil時，從相位補償角度分析：帶寬10G以內(nèi)在所有不等長的中間位置采用一個凸起方法補償，其差共模轉(zhuǎn)換效果要比用2S/3W方法在差分不等長發(fā)生處補償略好；但是兩種補償方式的抗干擾能力幾乎相同。

（3）頻率越大，相位差相差越大。

（4）差分線等長的繞線位置對抗干擾能力的影響很大。

通過以上結(jié)論，發(fā)現(xiàn)一個凸起方法補償在低頻時效果明顯較好。故可進一步推測：如果一個凸起方法補償不能處在不等長發(fā)生的中間節(jié)點，其補償效果會大打折扣。下文將進一步驗證。

2.2 差分補償?shù)诙N應(yīng)用場景

圖7 差分補償應(yīng)用場景二

在2.1節(jié)差分補償?shù)谝环N應(yīng)用場景中，2S/3W方法進行補償時，凸起太多，或多或少造成兩根線耦合的不連續(xù)。一個凸起方法進行補償時，不能及時補償4個所有的不等長。鑒于以上2種補償方法存在的缺點，并不能完全找到2種補償方法的最佳應(yīng)用場景。結(jié)合以上分析，下文將進行第二種應(yīng)用場景的驗證。

如圖7所示，4個135°的拐彎造成4段不等長區(qū)域，兩兩之間相差均大于1000mil，距離發(fā)送和接收均大于1000mil，總長6000mil。本仿真是針對微帶線的模型，在SI9000中計算的參數(shù)如下：其中線寬 6.4mil，線間距 5.6mil，介質(zhì)厚度 5mil。

2.2.1 幾種補償方式

如圖7所示，采用3種補償方法：St（2S）表示采用2S/3W在不等長發(fā)生處進行補償；St（D）表示采用一個凸起方法在不等長發(fā)生中間處補償；St（4S）表示采用4S/4W方法補償。

2.2.2 仿真驗證結(jié)果

將從插損和相位差的角度分析。

圖8 仿真驗證結(jié)果

如圖8所示，實線4S代表4S/4W方法補償，點狀線2S代表2S/3W方法補償，點線相接D代表一個凸起方法補償，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

（1）3種補償方式（2S/3W 方法、4S/4W 方法、一個凸起方法）的損耗相近。

（2）從相位差來看，25G以內(nèi)，2S/3W方法補償效果=4S/4W方法>一個凸起方法的補償方式。

2.2.3 信號質(zhì)量影響分析

（1）差共模轉(zhuǎn)化分析

圖9 差共模轉(zhuǎn)化對比

如圖9所示，從差共模轉(zhuǎn)化的影響來看，4S/4W和2S/3W的Scd都能在20G頻率以下保持在-25dB以下，都符合應(yīng)用要求。一個凸起方式的Scd值大于-20dB，已經(jīng)接近有些協(xié)議對Scd的最小要求。

當(dāng)距離不等長發(fā)生處較遠(yuǎn)時，一個凸起不能及時補償長度誤差，會產(chǎn)生相對于4S/4W和2S/3W更大的共模信號。

（2）眼圖分析

圖10 三種補償方法眼圖對比

如圖 10 所示，a），b），c）分別為 2S/3W 方法、4S/4W方法和一個凸起方法的眼圖。從抗干擾的眼圖仿真中可知：

4S/4W方法的抗干擾能力好一些。此方案能夠及時補償對差分信號的相位補償起關(guān)鍵作用，但是此種應(yīng)用中相位補償與抗干擾能力并沒有完全達到一致。4S/4W方法的抗干擾能力卻非常突出，這是因為4S/4W方法幾乎可以在每小段不等長的發(fā)生處采用一個4S/4W進行簡單快速的補償，使不耦合的長度很小。

2.2.4 本節(jié)小結(jié)

在本節(jié)差分補償?shù)诙N應(yīng)用場景的驗證中，在存在多個差分不等長且不等長距離大于1000mil的情況下，從相位補償結(jié)果看，及時補償且減少凸起個數(shù)的4S/4W補償方法與2S/3W方法的補償效果相近。但是從抗干擾能力看，4S/4W方法的抗干擾能力明顯最好。且針對本應(yīng)用場景，一個凸起方法進行補償?shù)牟罟材＾D(zhuǎn)化效果以及相位變化指標(biāo)最差。

可以進一步推測：如果對每個不等長發(fā)生處采用盡可能少的凸起，一次補償，其效果最好。下文將進行進一步驗證。

2.3 差分補償?shù)谌N應(yīng)用場景

從前兩種應(yīng)用場景中分析發(fā)現(xiàn)，2S/3W方法在高頻處都有較好的補償效果，但是在第一種應(yīng)用場景的低頻中，采用一個凸起方法進行補償時其補償效果卻意外的良好。因此，本節(jié)將結(jié)合前兩種差分線不等長的應(yīng)用場景，借鑒實際PCB中差分線的出線方式，設(shè)計了第三種差分不等長場景：只存在有一個差分不等長區(qū)域，模型走線4000mil。

圖11 差分補償應(yīng)用場景三

2.3.1 幾種補償方式

對上述差分繞線，采取在差分不等長發(fā)生處補償，補償方式分別為：一個凸起方法直接補償、2S/3W方法補償和4S/4W方法補償。本仿真是針對微帶線的模型，在SI9000中計算的參數(shù)如下：其中線寬 6.4mil，線間距 5.6mil，介質(zhì)厚度 5mil。

2.3.2 仿真驗證結(jié)果

（1）插損分析

圖12 插損對比

如圖12所示為插損對比，實線4W代表4S/4W的補償方式，點狀線X代表2S/3W的補償方式，點線相接D是代表采用一個凸起直接補償。

從插損圖中可以發(fā)現(xiàn)：

從不同的補償方式產(chǎn)生的插損來看：在30G以前3種補償方式的損耗差別不明顯；30G以后2S/3W方法的損耗最大，一個凸起方法的損耗最小。

（2）相位差分析

圖13 相位差對比

如圖13所示為相位差對比，可以看出，一個凸起方法補償?shù)男Ч^好，這和我們傳統(tǒng)想法中應(yīng)用的2S/3W方法進行補償是有很大不同的。

這是由于在表現(xiàn)較好的補償結(jié)果中，只用了一個凸起進行補償，而2S/3W用了12個凸起進行補償。根據(jù)信號的傳輸模式可知，如果對差分線進行繞線，那么信號是沿著耦合電容直接進行傳播的。繞線中的耦合電容為信號提供了一個低阻抗的回流路徑，而且頻率越高，阻抗越低，這也是頻率越高，相位差相差越多的原因。采用大量（12個）凸起進行補償，則會加大沿耦合電容傳輸?shù)穆窂介L度，則相位差會隨之增大。

2.3.3 信號質(zhì)量影響分析

（1）差共模轉(zhuǎn)化分析

圖14 差共模轉(zhuǎn)化

如圖14所示：從差共模轉(zhuǎn)化分析，4S/4W方法和一個凸起方法的補償方式相對2S/3W方法的補償方式效果更好。

（2）眼圖分析

下面將對抗干擾能力進行分析：

圖15 眼圖對比分析

如圖15所示：一個凸起的直接補償和4S/4W補償方式的抗干擾能力相差不多，2S/3W的補償方式則最差。這是由于采用2S/3W進行多個補償時，產(chǎn)生了多個不耦合位置，差分的不耦合越多，抗干擾能力越差。一個凸起的直接補償和4S/4W補償方式產(chǎn)生的不耦合長度較小，對于差分信號來說當(dāng)兩根信號線的距離達到一定時，其阻抗變化將減小，也就是距離對差分信號的影響相對較小。對此方案而言，短暫的差分信號距離之差造成的不耦合對差分抗干擾能力的影響很小。

2.3.4 本節(jié)小結(jié)

對于第三種應(yīng)用場景而言：

（1）2S/3W、4S/4W和一個凸起這三種補償方法的損耗相差不多。

（2）4S/4W和一個凸起的補償方式相對2S/3W的補償方式，Scd較小。

（3）4S/4W和一個凸起的補償方式相對2S/3W的補償方式，抗干擾能力較強。

（4）當(dāng)較長的不等長集中發(fā)生在一起時，比如芯片的fanout處，建議設(shè)計時在靠近不等長發(fā)生處采用4S/4W或者一個凸起補償。

3 結(jié)語

本文從3種不同應(yīng)用場景，分別對差分線不等長情況做了多種補償方案的對比分析。從結(jié)果上看，不同應(yīng)用場景下，不同繞線方式對差分信號質(zhì)量影響是明顯的。因此，結(jié)合仿真結(jié)果，對今后的PCB走線提出以下建議：

（1）如果條件允許，建議盡量在每個不等長發(fā)生處，根據(jù)各點不等長的長度，盡可能采用一個補償方式對各點進行補償。

（2）如果差分線中出現(xiàn)一個不等長，則建議采用一個凸起直接進行補償。

（3）如果差分線中出現(xiàn)多個不等長，且不等長距離大于1000mil，4S/4W的補償效果較好。

（4）如果差分線中出現(xiàn)多個不等長，且不等長的距離都在600mil范圍內(nèi)，15G范圍內(nèi)建議用一個凸起在中心處補償，15G以后建議用2S/3W進行補償。

（5）如果不能在差分不等長發(fā)生處進行補償，接收端和發(fā)送端補償效果相近。