差分信号的阻抗匹配原理与实践

差分信号的阻抗匹配原理与实践

引用

网易

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https://www.163.com/dy/article/JF76MDJT0532B75P.html

随着电子设备对高速传输需求的不断增加，差分信号传输因其优异的抗干扰能力和低EMI特性而被广泛应用。然而，差分信号的传输质量很大程度上取决于阻抗匹配的准确性。本文将深入探讨差分信号的阻抗匹配原理及其在实际应用中的重要性。

差分信号的优势与挑战

差分信号传输通过一对传输线（差分对）实现，与传统的单端信号相比，具有以下优势：

1. 抗干扰能力强：差分信号通过两个信号线上的电压差来传输信息，外界干扰通常会在两条线上产生相同的噪声，从而在接收端被抵消。
2. 有效抑制EMI：差分信号的布局和走线方式可以显著降低电磁辐射。
3. 时序定位精确：差分信号的传输特性更稳定，有利于精确的时序控制。

然而，差分信号传输也面临一些挑战，特别是阻抗匹配问题。阻抗不匹配会导致信号反射，影响信号质量。因此，理解差分信号的阻抗匹配原理对于设计高质量的高速传输系统至关重要。

差分信号的阻抗匹配原理

差分信号的阻抗匹配主要分为两种情况：无耦合和有耦合。

无耦合时的差分阻抗

当两条传输线相距足够远（至少是线宽的两倍）时，它们之间的相互作用可以忽略不计。在这种情况下，如果差分信号到达接收终端时遇到高阻抗，就会产生反射。为了解决这个问题，可以在两条信号线的末端跨接一个与差分阻抗相同的端接电阻。下图展示了在加入100欧姆端接电阻前后的差分信号波形对比。

图1：无耦合情况下差分信号的反射与匹配

耦合时的差分阻抗

当两条传输线靠近时，它们之间的耦合效应变得显著。这种耦合效应可以通过单位长度上的互感电容C12和互感电感L12来描述。下图展示了当两条50欧姆、5 mil的FR4带状线间距变化时，相对互容和相对互感的变化情况。

图2：耦合情况下差分信号的阻抗变化

差分模式与共模模式的匹配

差分信号传输中存在两种模式：差分模式和共模模式。理想情况下，系统工作在差分模式下，共模电压为理想的DC电平。然而，当共模噪声较大时，也需要对共模阻抗进行匹配，以避免信号震荡。

结论

差分信号的阻抗匹配是确保高速传输系统性能的关键因素。通过合理设计差分对的布局和端接方式，可以有效减少信号反射，提高传输质量。对于从事高速电路设计的工程师来说，深入理解差分信号的阻抗匹配原理具有重要意义。