張靈子，向建紅，陳艷飛，陳慧杰，龔驍敏

（中國(guó)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(hào)在一對(duì)緊耦合差分對(duì)中傳播時(shí)，應(yīng)對(duì)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(duì)差分線進(jìn)行等長(zhǎng)補(bǔ)償，這會(huì)造成差分對(duì)之間的時(shí)延不一致、抗干擾能力變差、眼圖變差等一系列問(wèn)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(méi)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(chǎng)景下差分信號(hào)的不同繞線方式和位置進(jìn)行等長(zhǎng)繞線并仿真驗(yàn)證，以尋求最佳的差分信號(hào)補(bǔ)償方式。

1 差分線

差分走線上同時(shí)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(hào)[6，7]。

其中，差模信號(hào)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(hào)。共模信號(hào)用兩條

式（1）和（2）中：

Vdiff：差模信號(hào)；

Vcom：共模信號(hào)；

V1：線1相對(duì)于共用返回路徑的信號(hào)電壓；

V2：線2相對(duì)于共用返回路徑的信號(hào)電壓。

在設(shè)計(jì)差分對(duì)時(shí)，最重要的原則是等距、等長(zhǎng)和對(duì)稱(chēng)[8]。等距能保證信號(hào)維持在一個(gè)恒定的阻抗，從而保證反射最??；等長(zhǎng)和對(duì)稱(chēng)能保證傳輸線時(shí)延相同，相位錯(cuò)位最小，防止差模信號(hào)轉(zhuǎn)化成共模信號(hào)。

在理想情況下，通常認(rèn)為共模信號(hào)是恒定不變的直流。但是，實(shí)踐中不同的走線設(shè)計(jì)會(huì)造成共模信號(hào)發(fā)生改變，一個(gè)變化的共模分量將會(huì)引起兩個(gè)十分嚴(yán)重的問(wèn)題：

（1）如果共模信號(hào)電壓過(guò)高，就會(huì)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(hào)。

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

在工程設(shè)計(jì)中不可避免的會(huì)造成差分對(duì)之間的不等長(zhǎng)。為了達(dá)到等長(zhǎng)的要求，需要對(duì)差分對(duì)進(jìn)行等長(zhǎng)補(bǔ)償，不同的應(yīng)用場(chǎng)景下不同的補(bǔ)償方式和補(bǔ)償位置對(duì)共模信號(hào)的影響不同。因此選擇合適的等長(zhǎng)補(bǔ)償方式對(duì)提高信號(hào)的性能至關(guān)重要，下面將對(duì)常見(jiàn)的3種應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析。信號(hào)線上的平均電壓表示，定義為

2 不同補(bǔ)償方式性能對(duì)比驗(yàn)證

2.1 差分補(bǔ)償?shù)谝环N應(yīng)用場(chǎng)景

如圖1所示，4個(gè)135°的拐彎造成4段不等長(zhǎng)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(zhǎng)5000mil。本仿真是針對(duì)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(duì)上述差分繞線，分別采用一個(gè)凸起直接補(bǔ)償方式（后稱(chēng)一個(gè)凸起方式）和常規(guī)的2S/3W方式（S表示差分對(duì)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(shí)針對(duì)補(bǔ)償?shù)奈恢?，采?種情況進(jìn)行分析，分別是近端（信號(hào)發(fā)送端）補(bǔ)償、差分不等長(zhǎng)發(fā)生處補(bǔ)償和遠(yuǎn)端（信號(hào)接收端）補(bǔ)償。這里要特別說(shuō)明一下，一個(gè)凸起的差分不等長(zhǎng)發(fā)生處補(bǔ)償方式，位置是位于整個(gè)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(zhǎng)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(gè)凸起在不等長(zhǎng)發(fā)生處⑦補(bǔ)償（St（DZFS））；方法五：采用一個(gè)凸起在接收端處⑧補(bǔ)償（St（DJS））；方法六：采用一個(gè)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(duì)比

如圖2所示，分別是一個(gè)凸起方式、2S/3W方式兩種繞線方法與對(duì)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(zhǎng)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(gè)凸起補(bǔ)償和2S/3W補(bǔ)償均在差分不等長(zhǎng)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(gè)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(gè)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(zhǎng)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(wú)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(wú)論哪種繞線方法，在不等長(zhǎng)發(fā)生處補(bǔ)償?shù)男Ч詈?，相位差最小?/p>

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

為了更好的說(shuō)明問(wèn)題，下面將對(duì)一個(gè)凸起的補(bǔ)償方式和2S/3W的補(bǔ)償方式，在不等長(zhǎng)發(fā)生處補(bǔ)償做單獨(dú)分析。

圖4 差分不等長(zhǎng)發(fā)生處補(bǔ)償對(duì)比

如圖4所示，實(shí)線表示一個(gè)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(gè)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(duì)信號(hào)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(hào)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(duì)比

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

針對(duì)差分補(bǔ)償?shù)谝环N應(yīng)用場(chǎng)景，從以上三種角度分析，不同繞線方式在損耗上并沒(méi)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(cuò)位，都會(huì)使差分信號(hào)變成共模信號(hào)。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(wèn)題，同時(shí)如果共模信號(hào)電壓過(guò)高，就會(huì)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(hào)。

（2） 眼圖分析

理論上來(lái)說(shuō)，如果差分線的兩條線之間沒(méi)有耦合，會(huì)導(dǎo)致抗噪聲能力下降。故對(duì)抗干擾能力進(jìn)行分析。下面選取一個(gè)凸起補(bǔ)償方式和2S/3W補(bǔ)償方式在接收端與不等長(zhǎng)發(fā)生處繞線補(bǔ)償，對(duì)所對(duì)應(yīng)的眼圖進(jìn)行分析。

圖6 眼圖對(duì)比

如圖6所示：a）一個(gè)凸起方法在差分不等長(zhǎng)發(fā)生處補(bǔ)償；b）2S/3W方法在差分不等長(zhǎng)發(fā)生處補(bǔ)償；c）一個(gè)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(gè)凸起方法還是2S/3W方法，在接收端補(bǔ)償比在差分不等長(zhǎng)發(fā)生處補(bǔ)償?shù)目垢蓴_能力明顯較差。

2）在差分不等長(zhǎng)發(fā)生處補(bǔ)償時(shí)，一個(gè)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(duì)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(wú)論哪種補(bǔ)償方式，在差分不等長(zhǎng)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(gè)不等長(zhǎng)處，且兩兩之間相差均小于600mil時(shí)，從相位補(bǔ)償角度分析：帶寬10G以?xún)?nèi)在所有不等長(zhǎng)的中間位置采用一個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)的繞線位置對(duì)抗干擾能力的影響很大。

通過(guò)以上結(jié)論，發(fā)現(xiàn)一個(gè)凸起方法補(bǔ)償在低頻時(shí)效果明顯較好。故可進(jìn)一步推測(cè)：如果一個(gè)凸起方法補(bǔ)償不能處在不等長(zhǎng)發(fā)生的中間節(jié)點(diǎn)，其補(bǔ)償效果會(huì)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(chǎng)景

圖7 差分補(bǔ)償應(yīng)用場(chǎng)景二

在2.1節(jié)差分補(bǔ)償?shù)谝环N應(yīng)用場(chǎng)景中，2S/3W方法進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，凸起太多，或多或少造成兩根線耦合的不連續(xù)。一個(gè)凸起方法進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，不能及時(shí)補(bǔ)償4個(gè)所有的不等長(zhǎng)。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(chǎng)景。結(jié)合以上分析，下文將進(jìn)行第二種應(yīng)用場(chǎng)景的驗(yàn)證。

如圖7所示，4個(gè)135°的拐彎造成4段不等長(zhǎng)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(zhǎng)6000mil。本仿真是針對(duì)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(zhǎng)發(fā)生處進(jìn)行補(bǔ)償；St（D）表示采用一個(gè)凸起方法在不等長(zhǎng)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(gè)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(gè)凸起方法）的損耗相近。

（2）從相位差來(lái)看，25G以?xún)?nèi)，2S/3W方法補(bǔ)償效果=4S/4W方法>一個(gè)凸起方法的補(bǔ)償方式。

2.2.3 信號(hào)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(duì)比

如圖9所示，從差共模轉(zhuǎn)化的影響來(lái)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(gè)凸起方式的Scd值大于-20dB，已經(jīng)接近有些協(xié)議對(duì)Scd的最小要求。

當(dāng)距離不等長(zhǎng)發(fā)生處較遠(yuǎn)時(shí)，一個(gè)凸起不能及時(shí)補(bǔ)償長(zhǎng)度誤差，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于4S/4W和2S/3W更大的共模信號(hào)。

（2）眼圖分析

圖10 三種補(bǔ)償方法眼圖對(duì)比

如圖 10 所示，a），b），c）分別為 2S/3W 方法、4S/4W方法和一個(gè)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(shí)補(bǔ)償對(duì)差分信號(hào)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(méi)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(zhǎng)的發(fā)生處采用一個(gè)4S/4W進(jìn)行簡(jiǎn)單快速的補(bǔ)償，使不耦合的長(zhǎng)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(chǎng)景的驗(yàn)證中，在存在多個(gè)差分不等長(zhǎng)且不等長(zhǎng)距離大于1000mil的情況下，從相位補(bǔ)償結(jié)果看，及時(shí)補(bǔ)償且減少凸起個(gè)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(duì)本應(yīng)用場(chǎng)景，一個(gè)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(cè)：如果對(duì)每個(gè)不等長(zhǎng)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(chǎng)景

從前兩種應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)景的低頻中，采用一個(gè)凸起方法進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)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(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)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(zhǎng)場(chǎng)景：只存在有一個(gè)差分不等長(zhǎng)區(qū)域，模型走線4000mil。

圖11 差分補(bǔ)償應(yīng)用場(chǎng)景三

2.3.1 幾種補(bǔ)償方式

對(duì)上述差分繞線，采取在差分不等長(zhǎng)發(fā)生處補(bǔ)償，補(bǔ)償方式分別為：一個(gè)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(duì)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(duì)比

如圖12所示為插損對(duì)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(gè)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(lái)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(gè)凸起方法的損耗最小。

（2）相位差分析

圖13 相位差對(duì)比

如圖13所示為相位差對(duì)比，可以看出，一個(gè)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(gè)凸起進(jìn)行補(bǔ)償，而2S/3W用了12個(gè)凸起進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)信號(hào)的傳輸模式可知，如果對(duì)差分線進(jìn)行繞線，那么信號(hào)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(hào)提供了一個(gè)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(gè)）凸起進(jìn)行補(bǔ)償，則會(huì)加大沿耦合電容傳輸?shù)穆窂介L(zhǎng)度，則相位差會(huì)隨之增大。

2.3.3 信號(hào)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(gè)凸起方法的補(bǔ)償方式相對(duì)2S/3W方法的補(bǔ)償方式效果更好。

（2）眼圖分析

下面將對(duì)抗干擾能力進(jìn)行分析：

圖15 眼圖對(duì)比分析

如圖15所示：一個(gè)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(gè)補(bǔ)償時(shí)，產(chǎn)生了多個(gè)不耦合位置，差分的不耦合越多，抗干擾能力越差。一個(gè)凸起的直接補(bǔ)償和4S/4W補(bǔ)償方式產(chǎn)生的不耦合長(zhǎng)度較小，對(duì)于差分信號(hào)來(lái)說(shuō)當(dāng)兩根信號(hào)線的距離達(dá)到一定時(shí)，其阻抗變化將減小，也就是距離對(duì)差分信號(hào)的影響相對(duì)較小。對(duì)此方案而言，短暫的差分信號(hào)距離之差造成的不耦合對(duì)差分抗干擾能力的影響很小。

2.3.4 本節(jié)小結(jié)

對(duì)于第三種應(yīng)用場(chǎng)景而言：

（1）2S/3W、4S/4W和一個(gè)凸起這三種補(bǔ)償方法的損耗相差不多。

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

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

（4）當(dāng)較長(zhǎng)的不等長(zhǎng)集中發(fā)生在一起時(shí)，比如芯片的fanout處，建議設(shè)計(jì)時(shí)在靠近不等長(zhǎng)發(fā)生處采用4S/4W或者一個(gè)凸起補(bǔ)償。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從3種不同應(yīng)用場(chǎng)景，分別對(duì)差分線不等長(zhǎng)情況做了多種補(bǔ)償方案的對(duì)比分析。從結(jié)果上看，不同應(yīng)用場(chǎng)景下，不同繞線方式對(duì)差分信號(hào)質(zhì)量影響是明顯的。因此，結(jié)合仿真結(jié)果，對(duì)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(gè)不等長(zhǎng)發(fā)生處，根據(jù)各點(diǎn)不等長(zhǎng)的長(zhǎng)度，盡可能采用一個(gè)補(bǔ)償方式對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）如果差分線中出現(xiàn)一個(gè)不等長(zhǎng)，則建議采用一個(gè)凸起直接進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）如果差分線中出現(xiàn)多個(gè)不等長(zhǎng)，且不等長(zhǎng)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(gè)不等長(zhǎng)，且不等長(zhǎng)的距離都在600mil范圍內(nèi)，15G范圍內(nèi)建議用一個(gè)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(zhǎng)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。