信号完整性之差分信号(二)

4 耦合度的概念

上一篇文章讲述了无耦合差分线的阻抗。当差分对的两条线距离靠近时，它们之间的耦合电容和耦合电感会发生变化。用相对耦合度来表述它们之间的耦合程度。例如2根50Ω阻抗控制、线间距是5mil、位于FR4 PCB上的带状线，它们之间的线距和耦合度关系如下图。可以看出，随着两条信号线之间的距离减小，耦合度会增加。不过即使线间距在1倍线宽的情况下，耦合度也只有15%。而当线间距是3倍线宽时，耦合度只有1%，再往后基本就可以忽略了。

5 差分信号线中的信号波形对阻抗的影响

一对差分线由LINE+和LINE-组成，当差分对的两条线距离很远时，LINE+的特征阻抗和LINE-没有关系。

当差分对的两条线间距很近（通常差分线间距小于三倍线宽时），LINE+和LINE-上不同的波形形态对阻抗影响不同。

情况一：LINE+有信号，LINE-无信号时（0V）

在此种情况下，随着LINE+和LINE-的距离越近，LINE+的阻抗会减小，但变化幅度不到1%。

情况二：LINE+与LINE-信号反向时

在此种情况下，随着LINE+和LINE-的距离越近，LINE+的阻抗会减小。

情况三：LINE+与LINE-信号同向时

在此种情况下，随着LINE+和LINE-的距离越近，LINE+的阻抗会增加。

下图是上述三种情况下，LINE+的阻抗变化曲线。出现这种状况的原因是：不同信号状态导致流过LINE+和LINE-耦合电容的电流不同，由此导致信号线阻抗发生变化。

差分信号使用场景是情况二，因此随着差分信号距离减小，耦合度增加，每根信号线的单端阻抗会减小，差分阻抗也会减小。

6 差分信号线的阻抗计算公式

如下是差分信号线阻抗的近似计算公式

（一）差分微带线的差分阻抗公式：
 

Z0是单端阻抗值。S表示差分对的边沿到边沿距离，单位是mil。h是差分对中每一根单端线和参考平面之间的介质厚度。

（二）差分带状线的差分阻抗公式：

Z0是单端阻抗值。S表示差分对的边沿到边沿距离，单位是mil。b是带状线上下介质层的总厚度。

7 差分信号线的返回电流分布、及对差分阻抗的影响

之前我总认为差分信号的电流是从LINE+流入，经过负载后再从LINE-流出，好像和返回路径没啥关系。现实中其实并不是这样，返回电流在返回平面上有所分布，并且电流分布不同，对差分阻抗有不同影响。

（一）差分微带线的返回电流分布和差分阻抗

首先，先来看看差分信号的电流是怎么分布的。如下图是2根线宽为5mil的微带差分线。上半张图两线间距是15mil（耦合度很小了）。下半张图两线间距是5mil（紧耦合）。信号线上传输的信号频率是100MHz。颜色越浅的地方，表示电流密度越大。

针对上半张图，假设1号线是LINE+，如果它的信号电流方向是流入屏幕，那么它的返回电流在返回平面中是流出屏幕。类似的，2号线是LINE-，它的信号电流是流出屏幕，它的返回电流在返回平面中是流入屏幕。因为这两条线之间的距离很大（15mil），所以当差分信号在信号线上传输时，这两条线对应返回平面上的电流不会重叠。

针对下半张图，即使1号线和2号线已经靠的很近（5mil），返回平面上的电流重叠也不多。

接下来增大差分线和返回平面之间的距离，随着返回平面越来越远，两根信号在返回平面上的返回电流重叠面积会变大。（把线1和线2想象成2个灯泡，返回平面是一堵墙，线1和线2都会在墙上投影灯光。随着灯泡和墙之间的距离越来越远，灯泡1和灯泡2在墙上投影的重叠面积会越来越大）。

因为线1和线2在返回平面上制造的返回电流方向是相反的。随着返回平面越来越远，两根信号在返回平面上的返回电流重叠度越来越高，最后返回电流会完全抵消。此时返回平面对差分传输线的差分阻抗没有影响了。这时的差分传输线才可以等效为本节刚开始时表述的：差分信号的电流是从LINE+流入，经过负载后再从LINE-流出，好像和返回路径没啥关系。

（二）双绞线的返回电流分布和差分阻抗

如下是一对屏蔽双绞线的示意图。绿色线是差分信号线，线径D。灰色是绝缘层，两信号线的间距S由绝缘层的厚度决定。橙色是屏蔽层，R是屏蔽层的厚度。
 

双绞线上有信号传输时，屏蔽层就是返回平面，有返回电流在屏蔽线上流动。和微带线一样，两根信号线各自在屏蔽层上产生的返回电流方向是相反的。

如果屏蔽层的厚度足够大（返回平面和信号线距离很大，通常是屏蔽层半径R超过2倍的S时），返回电流大致呈对称分布，相互叠加抵消，屏蔽层对差分信号阻抗没有影响。无屏蔽双绞线的效果和此类似。

如果屏蔽层的厚度不是很大（即屏蔽层紧靠双绞线时），屏蔽层中的返回电流会轻微的影响差分阻抗。原因是什么呢？屏蔽层和双绞线靠的太近时，有几率出现双绞线不完全基于中心轴对称布置，导致差分信号在屏蔽层产生的返回电流也非对称，最终会轻微的影响差分阻抗。

总之：针对差分信号

① 差分信号之间的耦合度比差分信号线与返回平面间的耦合度低时（差分线间距>差分线与返回平面间距），返回平面出现明显的返回电流。返回平面影响到差分阻抗。

②差分信号之间的耦合度比差分信号线与返回平面间的耦合度高时（差分线间距<差分线与返回平面间距），返回平面中的绝大部分返回电流叠加、抵消。此时返回平面不影响差分信号，电流等效为从LINE+传输到负载，再从LINE-回到源端。

③根据经验法则，要使差分信号之间的耦合度高于差分信号与返回平面之间的耦合度，需要差分信号线与返回平面之间的距离大于两信号线间距的2倍。

④在我们常见的PCB设计中，信号线与返回平面的间距要比两信号线间距小，因此返回平面还是很关键的。在做PCB设计时，差分信号需要返回平面完整。例如在返回平面中出现了间隙，在有间隙那一段，LINE+的返回电流只能靠LINE-传送，导致差分阻抗在此处发生变化。可以通过增加两线间的耦合度，使差分阻抗变化最小。

⑤还有一种场景是差分信号经过连接器时，两条信号线之间的耦合度会在连接器处发生变化。具体信息需要仿真得到。