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李玉山 信号完整性(SI)分析-15~16差分
高速电路与系统互连设计中
信号完整性(SI)分析
(之15~16[十一]:差分对与
差分阻抗)
李玉山
西安电子科技大学电路CAD研究所
11.0 引言
一个综合篇章:一种抵御信号不完整的高速设计发明。
此处实质是讨论新设计的各种分析角度、概念、反射、串
扰、地弹和EMI情况。
常见 LVDS、收发芯片(trancever)的理论基础;并口
退出,USB盛行!
远端串扰新解、大串扰;
深入EMI 成因及反地弹设计;
新条件下的反射。
简言之,差分对是指一对存在耦合的传输线。采用两条
信号线,让差分信号以差分对为载体进行传输。从外表上
看,这两条线没有什么特殊的。采用差分对的价值,与其
说在利用差分对的特性,倒不如说是利用差分信号的优点,
差分信号就是两条传输线间的电压。
差分信号 (令)传输与单端传输比有很多优点:
1. 输出驱动器产生的 dI/dt 会比单端信号线上大幅降
低 (电压低、阻抗又大一倍,接收器负载阻抗也大),从而
减小了轨道塌陷和电磁干扰(EMI)的来源。
2. 与单端放大器相比,接收器中的差分放大器可以有
更高的增益。
3. 差分信号在一对紧耦合差分对中传播,对付串扰和
返回路径中突变的鲁棒性(robust)较好。(见后面解释)
4. 因为每个信号都有自己的返回路径,所以差分信号
通过接插件或封装时,不易受到开关噪声的干扰。(此时差
分信号两根线互为返回路径,没有公用路径)
5. 使用价格低廉的双绞线即可实现远距离传输。
6. 和 PDS 的电源、地实现有效隔离。
差分信号的缺点:
存在导致 EMI 的潜在内因。一旦共模分量出现,可能
使输出(驱动)到外部双绞线上产生 EMI 问题。
与单端信号传输相比,传输需要两倍数量的信号线。
需要理解新原理和设计规则,设计复杂程度增加。
10 年前,不到 50%采用了可控阻抗互连传输线,现在超
过 90% (美国)。如今不到 50%的电路板用了差分对,在未来
几年,90%的电路板会用差分设计(还是美国)。
11.1 差分信号(令)和共模信号
差分信号广泛应用于小型计算机可升级接口(SCSI、USB
1394等)总线及以太网中;还应用于光纤远程通信协议,如
OC-48 (STM-16,2.5Gbps,见 8.15 节)、OC-192(STM-64,
10G)、OC-768(STM-256,40G);以及以双绞线为主要载体
的通信中。其中一种获得最广泛应用的信号 (令)模式就是
低 压 差 分 信 号 (LVDS — — Low Voltage Differential
Signaling)。(一提到差分,就会联想到 LVDS,PCI Express
总线,也是一根一根分开传)
信号线和返回路径之间存在一个信号电压,通常称之为
单端传输线信号。
当两路驱动器驱动一个差分对时,除了各自的单端信号
外,这两路信号线之间还存在着一个电压差,我们称之为
差分信号。
低压差分信号中,每路信号电压范围在 1.125 伏和
1.375 伏之间,各自驱动一条传输线(直流在 1.25V 处,直
流分量的好处何在?)。
图 11.1 单端信号在信号线和返回线之间测量,差分信号在形成
差分对的两条信号线间测量
在接收器端,线1的电压是V ,线 2的电压是V 。差分
1 2
放大器检测线1与线2间的电压差,恢复出差分信号:
(11.1)
式中, V 差分信
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