高速差分信号耦合方式的信号完整性研究.pdf

设计/CAM Design/CAM印制电路信息 2024 No.4高速差分信号耦合方式的信号完整性研究冯立1，2 刘亚军1，2 钱自富1，2 刘松1，2 唐缨3 王伟业3 邱小华3（1.四川九洲电器集团有限责任公司，四川 绵阳 621000；2.四川省航电系统产品轻量化设计与制造工程实验室，四川 绵阳 621000；3.广东依顿电子科技股份有限公司，广东 中山 528400）摘要差分信号因具有抗干扰能力强、可实现远距离传输等优点，被广泛应用于以太网、高速串行等总线印制电路设计。针对差分信号的耦合方式，采用ANSYS仿真软件进行建模仿真分析。结果表明，线宽/间距为0.406 4 mm/0.812 8 mm的差分信号插入损耗较小，采用更大线间距的差分信号有利于减少高速信号的损耗。对比3种连接器的不同间距，在8 GHz范围内，增加差分信号之间的局部间距，差分插入损耗变化不明显，说明增加差分信号之间的局部间距不会降低差分信号传输损耗。关键词差分信号；耦合方式；S参数；信号完整性中图分类号：TN41文献标志码：A文章编号：10090096（2024）04000804The signal integrity analysis of coupling method of highspeed differential signalFENG Li1，2 LIU Yajun1，2 QIAN Zifu1，2 LIU Song1，2 TANG Ying3 WANG Weiye3 QIU Xiaohua3(1.Sichuan Jiuzhou Electric Group Co.,Ltd.,Mianyang 621000,Sichuan,China;2.Sichuan Avionics-System Laboratory of Lightweight Design and Manufacturing Engineering,Mianyang 621000,Sichuan,China;3.Guangdong Ellington Electronic Technology Co.,Ltd.,Zhongshan 528400,Guangdong,China)AbstractDifferential signals are widely used in printed circuit designs,such as Ethernet and high-speed serial bus due to their strong anti-interference ability and the ability to achieve long-distance transmission.This article uses ANSYS simulation software to model and analyze the coupling method of differential signals.The results show that differential signals with line width/spacing of 0.406 4 mm/0.812 8 mm have smaller insertion losses,and using differential signals with larger line spacing is more conducive to reducing the loss of high-speed signals.By comparing the different spacing of three connectors,within the 8 GHz range,increasing the local spacings between differential signals does not result in significant changes in differential insertion loss,indicating that increasing the local spacing between differential signals will not reduce the transmission loss of differential signals.Key wordsdifferential signal;coupling method;S parameter;signal integrity作者简介：冯 立（1988），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为印制电路和信号完整性等。-8印制电路信息 2024 No.4设计/CAM Design/CAM0引言随着集成技术与互联技术的高速发展，芯片内部、芯片之间和电路板间相互通信的时钟频率都得以大幅提高。如果电路结构无法确保信号的完整性及数据传输的准确性，会降低整个系统的可靠性，甚至导致设计的失败。在高速信号传输中，差分信号不容易受到地弹和开关噪声的干扰，在应对串扰和返回路径中的突变时具有很好的稳定性，因此差分信号已广泛应用于高速背板设计及子板电路设计，以提高高速信号的信号完整性1-2。差分信号的 2对传输线之间不一定耦合，没有耦合将导致差分对的抗噪声能力下降，与单端传输线相比，2条信号线之间的耦合使差分信号对于由其他动态线网产生的地弹噪声有更好的稳定性3，线间耦合程度将决定差分信号的抗干扰性能。目前，针对差分信号的耦合程度对信号完整性影响的研究相对较少，大多数研究集中在差分信号组内等长与共模噪声4、走线角度与共模噪声5-6等。因此，本文通过ANSYS对4组不同间距的差分信号进行建模，根据耦合程度对信号S参数影响结果进行分析，通过优选出性能最优的差分耦合间距，充分考虑在接收端和发射端的不可耦合的走线特点，对接收端和发射端进行3种不同长度的不耦合建模，再次对仿真结果开展分析，得到最优的差分信号设计方式，为差分信号的耦合设计提供工程参考。1差分信号耦合方式模型构建1.1差分传输线阻抗控制差分信号阻抗匹配关系到差分信号的反射和上下冲等影响时序的控制，因此在高速电路中合理的阻抗匹配是非常重要的。本研究对差分传输线进行阻抗计算，采用4层板叠构。为减少信号过孔残根损耗，采用贴片连接器作为端口，微带线作为目标研究对象。对应的差分微带线阻抗计算式为7Z0=87r+1.41ln()5.98h0.8w+h1（1）式中：Z0为单端阻抗，；r为介电常数；w为线宽，mm；h为走线到参考平面的距离，mm；h1为线厚，mm。Zdiff=2xZ0 1-0.48exp(-0.96sh)（2）式中：Zdiff为差分阻抗，；s为边缘间距，mm。1.2差分传输线耦合方式模型构建为减少差分信号传输损耗，本次选用材料特性10 GHz，介电常数3.22，介质损耗0.002 9，设定微带表面边缘耦合差分结构模型，铜厚 0.03 mm。为保证线宽 w 一致，设定线宽 w 为 0.406 4 mm，采用不同的介质层厚度 h 和不同线间距 s，达到差分阻抗Zdiff为100 的目的，计算表明，该设计值能满足本文要求。耦合线14的线距s和对应的介质厚度h见表1。在Cadence16.6软件中建立4种不同的差分传输线模型，其中3对差分传输线模型长度控制在3334 mm。在该长度范围内，3组差分信号延时误差5%，满足高速信号传输时序要求，对应的设计模型如图1所示。其中，J1、J2模型为差分对1 端口，J3、J4 模型为差分对 2 端口。最后，将Cadence 中 4 种 不 同 的 差 分 传 输 线 模 型 导 入ANSYS软件，完成S参数仿真。表1差分信号线宽和线距单位：mm差分信号线耦合线1耦合线2耦合线3耦合线4线宽w0.406 40.406 40.406 40.406 4线距s0.203 20.406 40.609 60.812 8介质厚度h0.253 70.202 50.191 30.186 7图1不同间距差分耦合线模型-9设计/CAM Design/CAM印制电路信息 2024 No.42仿真结果分析2.1等线宽耦合方式分析差分 S参数是用差分对的形式描述一个四端口的互连，这里的端口称为差分端口。一个差分对在两端口各有一个差分端口，其中的信号类型包括差分信号和共模信号，任何进入差分端口的波形都可以用差分信号和共模信号的组合加以描述，使用d和c分别描述差分信号和共模信号。Sdd可以很好地展示互连如何作用于差分信号的信息，是差分信号最重要的S参数元素。因此，本文采用Sdd作为信号损耗的重要指标。Sdd参数可以很好地反映高速差分信号的传输质量，不同间距差分耦合线S参数仿真结果如图2所示。由图2可知，在4对差分传输线模型长度控制相同的情况下，10 GHz范围内，耦合线14的线距S依次增大，Sd2d1也依次增大，说明在相同情况下，增加差分线间距可以减少线路损耗。耦合线4差分信号的传输效率最高，耦合线1传输效率最差，主要原因是增加差分信号间距可以减少差分信号的串联电阻损耗，从而在线宽相同的情况下，增加差分线间距可以极大地改善传输损耗，更有利于高速信号的低损耗传输。2.2局部不耦合分析通过以上仿真分析可知，耦合线 4的 Sd2d1最大，有利于高速信号的低损耗传输，因此根据此线宽线间距对连接器布局的不同间距进行分析，以确定最优连接器布局间距。本次选取3种间距作为目标分析模型，分别对应3种不同介质层厚度印制板，间距设定为1、3、6 mm，关键参数设定线宽/间距为0.406 4 mm/0.812 8 mm，铜厚0.03 mm，介电常数 Dk=3.22，走线长度 3536 mm，3组差分对延时误差5%。差分信号局部不耦合器件间距见表2。通过Cadence软件对3种差分信号局部不耦合器件间距建模型，如图3所示；然后将Cadence文件导入ANSYS软件，完成S参数仿真。不同器件间距的差分耦合模型 S参数仿真结果如图4所示。由图 4 可知，在 8 GHz范围内，耦合线 AC的差分信号Sd2d1变化趋势相当。说明差分对在P、N长度相同和对称的情况下，会极大地减少模态的转换，即使2条差分信号在局部区域内增加P和N之间的间距，也不会影响差分阻抗，表现为增加P和N之间的局部间距不会降低差分信号传输表2差分信号局部不耦合器件间距差分信号线耦合线A耦合线B耦合线C器件间距R/mm136图3不同连接器间距的差分耦合间模型图2不同间距差分耦合线S参数仿真结果图4不同器件间距的差分耦合模型S参数仿真结果-10印制电路信息 2024 No.4设计/CAM Design/CAM损耗。但在10 GHz范围内，表现为增加器件间距会导致差分信号Sd2d1变化增大，耦合线C结构的差模信号传输效率更高，主要原因是增加器件间距可以减少差分信号的串联电阻损耗，所以表现为增加连接器间距更有利于高速信号的低损耗传输。3结语针对差分信号的耦合方式，本文构建了相同线宽、线间距不同的4种差分信号线，对差分信号的耦合方式进行建模仿真分析。根据Sd2d1变化趋势，采用更大线间距的差分信号将有利于减少高速信号的损耗，可确保差分信号传输完整性。在差分线宽/间距0.406 4 mm/0.812 8 mm的差分信号基础上，在8 GHz范围内，增加连接器之间的局部间距不会降低差分信号传输损耗；在10 GHz范围内，增加连接器间距更有利于高速信号的低损耗传输。总体来说，增加差分信号之间的局部间距不会降低差分信号传输损耗，该方法为差分信号的耦合设计提供了参考。参考文献 1 王燕,曹子剑,水道雁,等.基于VPX总线的高速数字电路测试系统研究及应用J.计算机测量与控制,2016,24(1):4-5.2 郭晓风.基于 10G通信系统的信号完整性研究与应用D.成都:电子科技大学,2012.3 赵志超.高速差分传输线模型的分析与设计D.西安:西安电子科技大学,2012.4 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