差分補(bǔ)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(tuán)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(shí)際應(yīng)用中，不可避免的要對差分線進(jìn)行等長補(bǔ)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(bǔ)償方法中，應(yīng)用最廣泛的補(bǔ)償方式是2倍間距/3倍線寬。但是該方法并沒有結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用情況考慮。本課題將根據(jù)實(shí)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(jìn)行等長繞線并仿真驗(yàn)證，以尋求最佳的差分信號補(bǔ)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(jì)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，從而保證反射最小；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(shí)踐中不同的走線設(shè)計(jì)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(jì)中不可避免的會造成差分對之間的不等長。為了達(dá)到等長的要求，需要對差分對進(jìn)行等長補(bǔ)償，不同的應(yīng)用場景下不同的補(bǔ)償方式和補(bǔ)償位置對共模信號的影響不同。因此選擇合適的等長補(bǔ)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(jìn)行分析。信號線上的平均電壓表示，定義為

2 不同補(bǔ)償方式性能對比驗(yàn)證

2.1 差分補(bǔ)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(jì)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(bǔ)償方式

對上述差分繞線，分別采用一個凸起直接補(bǔ)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(bǔ)償方式進(jìn)行補(bǔ)償。同時針對補(bǔ)償?shù)奈恢茫捎?種情況進(jìn)行分析，分別是近端（信號發(fā)送端）補(bǔ)償、差分不等長發(fā)生處補(bǔ)償和遠(yuǎn)端（信號接收端）補(bǔ)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(bǔ)償方式，位置是位于整個線段的最中央。具體補(bǔ)償示例如圖1所示。

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

2.1.2 仿真驗(yàn)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(bǔ)償位置：發(fā)送端補(bǔ)償、接收端補(bǔ)償和差分不等長發(fā)生處補(bǔ)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(bǔ)償位置中，一個凸起補(bǔ)償和2S/3W補(bǔ)償均在差分不等長發(fā)生處補(bǔ)償插損最小，與其他兩種補(bǔ)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(bǔ)償方法和2S/3W補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償?shù)男Ч詈茫辔徊钭钚　?/p>

3）無論在接收端還是在發(fā)送端，2S/3W補(bǔ)償方式比一個凸起的補(bǔ)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(bǔ)償方式和2S/3W的補(bǔ)償方式，在不等長發(fā)生處補(bǔ)償做單獨(dú)分析。

圖4 差分不等長發(fā)生處補(bǔ)償對比

如圖4所示，實(shí)線表示一個凸起補(bǔ)償方式，虛線表示2S/3W補(bǔ)償方式。

從相位差的角度分析：在20G的帶寬內(nèi)，一個凸起補(bǔ)償和2S/3W的補(bǔ)償方式效果差別不大；20G以后2S/3W的補(bǔ)償效果更好。如圖3和如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)不同補(bǔ)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(jìn)一步仿真驗(yàn)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(bǔ)償，其差模轉(zhuǎn)共模的值最低。

針對差分補(bǔ)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(jìn)行分析。下面選取一個凸起補(bǔ)償方式和2S/3W補(bǔ)償方式在接收端與不等長發(fā)生處繞線補(bǔ)償，對所對應(yīng)的眼圖進(jìn)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(bǔ)償；b）2S/3W方法在差分不等長發(fā)生處補(bǔ)償；c）一個凸起方法接收端補(bǔ)償；d）2S/3W方法接收端補(bǔ)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(bǔ)償比在差分不等長發(fā)生處補(bǔ)償?shù)目垢蓴_能力明顯較差。

2）在差分不等長發(fā)生處補(bǔ)償時，一個凸起方法進(jìn)行補(bǔ)償和2S/3W方法進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償方式，在差分不等長發(fā)生處補(bǔ)償比在接收端和發(fā)送端補(bǔ)償效果好；接收端補(bǔ)償和發(fā)送端補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償略好；但是兩種補(bǔ)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(bǔ)償在低頻時效果明顯較好。故可進(jìn)一步推測：如果一個凸起方法補(bǔ)償不能處在不等長發(fā)生的中間節(jié)點(diǎn)，其補(bǔ)償效果會大打折扣。下文將進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 差分補(bǔ)償?shù)诙N應(yīng)用場景

圖7 差分補(bǔ)償應(yīng)用場景二

在2.1節(jié)差分補(bǔ)償?shù)谝环N應(yīng)用場景中，2S/3W方法進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償時，不能及時補(bǔ)償4個所有的不等長。鑒于以上2種補(bǔ)償方法存在的缺點(diǎn)，并不能完全找到2種補(bǔ)償方法的最佳應(yīng)用場景。結(jié)合以上分析，下文將進(jìn)行第二種應(yīng)用場景的驗(yàn)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(jì)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(bǔ)償方式

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

2.2.2 仿真驗(yàn)證結(jié)果

將從插損和相位差的角度分析。

圖8 仿真驗(yàn)證結(jié)果

如圖8所示，實(shí)線4S代表4S/4W方法補(bǔ)償，點(diǎn)狀線2S代表2S/3W方法補(bǔ)償，點(diǎn)線相接D代表一個凸起方法補(bǔ)償，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

（1）3種補(bǔ)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(bǔ)償效果=4S/4W方法>一個凸起方法的補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償對差分信號的相位補(bǔ)償起關(guān)鍵作用，但是此種應(yīng)用中相位補(bǔ)償與抗干擾能力并沒有完全達(dá)到一致。4S/4W方法的抗干擾能力卻非常突出，這是因?yàn)?S/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(jìn)行簡單快速的補(bǔ)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(bǔ)償?shù)诙N應(yīng)用場景的驗(yàn)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(bǔ)償結(jié)果看，及時補(bǔ)償且減少凸起個數(shù)的4S/4W補(bǔ)償方法與2S/3W方法的補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟罟材＾D(zhuǎn)化效果以及相位變化指標(biāo)最差。

可以進(jìn)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(bǔ)償，其效果最好。下文將進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.3 差分補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償時其補(bǔ)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(shí)際PCB中差分線的出線方式，設(shè)計(jì)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(bǔ)償應(yīng)用場景三

2.3.1 幾種補(bǔ)償方式

對上述差分繞線，采取在差分不等長發(fā)生處補(bǔ)償，補(bǔ)償方式分別為：一個凸起方法直接補(bǔ)償、2S/3W方法補(bǔ)償和4S/4W方法補(bǔ)償。本仿真是針對微帶線的模型，在SI9000中計(jì)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(yàn)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(shí)線4W代表4S/4W的補(bǔ)償方式，點(diǎn)狀線X代表2S/3W的補(bǔ)償方式，點(diǎn)線相接D是代表采用一個凸起直接補(bǔ)償。

從插損圖中可以發(fā)現(xiàn)：

從不同的補(bǔ)償方式產(chǎn)生的插損來看：在30G以前3種補(bǔ)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(bǔ)償?shù)男Ч^好，這和我們傳統(tǒng)想法中應(yīng)用的2S/3W方法進(jìn)行補(bǔ)償是有很大不同的。

這是由于在表現(xiàn)較好的補(bǔ)償結(jié)果中，只用了一個凸起進(jìn)行補(bǔ)償，而2S/3W用了12個凸起進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)信號的傳輸模式可知，如果對差分線進(jìn)行繞線，那么信號是沿著耦合電容直接進(jìn)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(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償方式相對2S/3W方法的補(bǔ)償方式效果更好。

（2）眼圖分析

下面將對抗干擾能力進(jìn)行分析：

圖15 眼圖對比分析

如圖15所示：一個凸起的直接補(bǔ)償和4S/4W補(bǔ)償方式的抗干擾能力相差不多，2S/3W的補(bǔ)償方式則最差。這是由于采用2S/3W進(jìn)行多個補(bǔ)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(bǔ)償和4S/4W補(bǔ)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(dá)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(bǔ)償方法的損耗相差不多。

（2）4S/4W和一個凸起的補(bǔ)償方式相對2S/3W的補(bǔ)償方式，Scd較小。

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

（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(jì)時在靠近不等長發(fā)生處采用4S/4W或者一個凸起補(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)不等長的長度，盡可能采用一個補(bǔ)償方式對各點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償，15G以后建議用2S/3W進(jìn)行補(bǔ)償。

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