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[讨论] 差分信号的回流路径问题

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[LV.4]偶尔看看III

发表于 2013-11-1 11:17:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
比如说USB差分信号,回流路径谁的比重更大呢?
差分对之间互为回流为主要路径,地的贡献很小?还是地回流贡献更大,而差分对之间贡献小?

签到天数: 15 天

[LV.4]偶尔看看III

发表于 2013-12-25 13:53:47 | 显示全部楼层
jjxyym 发表于 2013-11-22 10:00
对于差分信号,如果D+上的电流是I+,如果严格对称的话,那么D-上的电流必然是I-。因为传输路径上阻抗是一 ...

分几点来讨论好了

1.
       
由KCL可知  一个节点若有电流流出   肯定会有等量的电流流入



所以任何讯号都会有回流电流,整体形成一个封闭回路,如下图 :



因此

『USB线差分对如果完全对称的话,应该电流为0,不需要回流路径。』

这句话不完全对!!  就算完全对称   一样需要回流路径


2.

电流流经封闭回路的磁场,会构成磁通量,其磁通量与电流的比值,便构成了电感,而电感又与感抗有关。



由上式可知,回路面积与感抗成正比,若回路面积越小,则感抗就越小。
而由下图可知,
低频讯号的回流电流,会走最小电阻路径。
而高频讯号的回流电流,会走最小感抗路径,



前述已知,回路面积越小,则感抗就越小,亦即高频讯号的回流电流,会走可以构成最小回路面积的路径。
因此,如上图,虽然高频讯号的回流路径,比低频讯号的回流路径来得长,
但整体构成的回路面积较小,
而由仿真结果也证实,当讯号为低频时,其回流电流只集中在Load到Source这段路径,
但当讯号为高频时,其回流电流会集中在原路径下方。



所以我们得到一个结论  
对高速差分讯号而言  
可能以彼此为回流路径   也可能以GND为回流路径
端赖谁能提供较小的回路面积






3.

以Any Layer的十层板为例,其讯号走线与GND的距离为2.8 mil,就算下层挖空,也只有5.6 mil。



但表层走线若要达到100奥姆,其间距差不多要10 mil,



因为与GND的距离较近,亦即GND能提供较小的回路面积,这表示以GND为回流路径的机会大得多。
而由下图的仿真结果可知,瞬时时,其回流电流都集中在差分讯号原路径下方的GND。



因此差分讯号的回流电流,确实是存在于GND,而不是彼此





4.

前面说过
『USB线差分对如果完全对称的话,应该电流为0,不需要回流路径。』
这句话不完全对!!  就算完全对称   一样需要回流路径
但电流为0是对的    如下图



既然差分讯号的回流路径是一定存在   而且存在于GND
为啥GND Current为零 ?

由于差分讯号在GND的回流电流,亦即下图的i1与i2,大小相等且方向相反,因此会相消,
所以瞬时时,会有回流电流都集中在差分讯号原路径下方的GND,
但稳态时,其GND Current,却几乎为零。



所以

差分讯号的回流电流,确实是存在于GND  => 这是指瞬时
差分对如果完全对称的话,应该电流为0  => 这是指稳态




5.

因此  即便完全对称  仍然需要GND  若将GND拿掉
一来是阻抗难以控制
二来是回路面积变大 (因为彼此间距一定大于跟GND的距离)
会使EMI干扰变强

所以GND对于差分讯号,仍有一定的影响,因此必须如同单端讯号一般,GND要维持完整性。
由下图可知,当差分讯号的GND为一完整平面时,其Return Loss至少有-20 dB,而Insertion Loss也不大。






但当差分讯号的GND有一开槽时,其Return Loss几乎都不到-20 dB,而Insertion Loss也明显变大许多,如下图 :



因为差分讯号与GND的距离会影响阻抗,
换言之,当差分讯号经过开槽时,会因为阻抗不连续,产生反射,因而Return Loss变差。
而开槽可等效于电感,由于电感会衰减高频讯号,
故当差分讯号经过开槽时,其能量会衰减,因而Insertion Loss变大。



由下图可知,GND Bounce,会使输出波形失真,以及影响邏辑运作的正确性,进而使系统稳定度变差,



而由下图可知,差分讯号经过开槽时,会产生GND Bounce。



所以可知   即便是普通的IO线   只要切断了差分线的回流路径
就是会有影响
其他详情可参照



在此就不赘述

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该用户从未签到

发表于 2013-12-26 15:08:25 | 显示全部楼层
靠,楼上的分析太专业了,看得入神了

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[LV.1]初来乍到

发表于 2013-11-12 15:36:41 | 显示全部楼层
USB线差分对如果完全对称的话,应该电流为0,不需要回流路径。如果不能的话,还是要遵循高速线路的布线规则铺地

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[LV.1]初来乍到

发表于 2013-11-1 11:21:17 | 显示全部楼层
期待专家鉴定

该用户从未签到

发表于 2013-11-1 13:33:31 | 显示全部楼层
差分信号回流路径的讨论见下面差分电路图示:

差分信号回流主路径在差分信号走线与地平面之间,这是与差分信号驱动电路接法与高速数字信号走阻抗(主要是感抗)最小的路径共同来决定的!!

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[LV.1]初来乍到

发表于 2013-11-1 13:38:52 | 显示全部楼层
差分线之间虽然可以互为参考,但是地还是相当重要的,如果完全没有地,只让两根线相互参考(紧耦合),首先目标阻抗很难控制,其次会导致EMI等比较多的问题。 使用差分线的目的是不得已的情况下没有一小段参考地平面不至于使信号变的太差,增强信号抗干扰能力等. 从回流来说: 理论上由线与线,和线与地之间的距离决定,距离近的电场耦合强,回流更强。实际设计PCB板参考地离线并不远(FR4差分100欧姆:5mil线宽,7mil线距,4mil线到地距离),回流主要靠地,如果不靠地回流导致EMI超标的几率相当大。没有使用公式推导了,这个问题自己有时间建议HFSS仿真下三维电磁场就很明了了。

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[LV.4]偶尔看看III

 楼主| 发表于 2013-11-1 17:34:34 | 显示全部楼层
多谢song770110 ,多谢myazx,小弟醍醐灌顶,瞬间懂了~
仿真不会做,我关心的是,如果只有一跟3mil的线在临层穿过USB地回流路径,影响到地有多大呢?20%损耗?
哪位大侠能帮忙仿下?

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[LV.1]初来乍到

发表于 2013-11-4 09:13:02 | 显示全部楼层
这个具体不清楚啊,你所说的临层穿过USB地回流路径,不清楚这条线到底穿了几个平面啊,如果参考平面换了,比如4层板,从第一层过孔到第四层,这种情况下,如果第二,三层线参考的部分都是地平面的话,在过孔附近打个回流过孔就好了,如果一个是地,一个是电源,靠近过孔处,地和电源间最好连个电容。一般过孔优化下孔大小,保证过孔附近有回流路径设计就没问题的。如果设计信号路径特别敏感才有必要仿真,对高速信号来说仿真通常也不看损耗的,都是加整个链路的S参数然后直接时域仿真波形,看反射串扰之类的或看整个链路的TDR阻抗曲线,确保信号能过相应的规范要求。如果你设计的USB通信只支持到USB1.0/2.0的话,找个他们的画板guidline看看,尽量按他们的指导准则来做就没问题的。USB3.0设计的话,过孔换层有必要仿真下的。

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[LV.4]偶尔看看III

 楼主| 发表于 2013-11-4 09:25:14 | 显示全部楼层
myazx 发表于 2013-11-4 09:13
这个具体不清楚啊,你所说的临层穿过USB地回流路径,不清楚这条线到底穿了几个平面啊,如果参考平面换了, ...

多谢myazx。
我的USB是480M的,差分线始终在第2层没有换层(当然连接器那里要换层),第一层和第三层都是GND平面做参考。
现在有一条其他信号线走在第3层,会切断USB差分线在第3层的回流路径,现在很难评估这条线会对USB信号质量造成多大影响。

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[LV.1]初来乍到

发表于 2013-11-4 10:26:50 | 显示全部楼层
第三层到第二层距离多少?建议你把这条线移出第三层,放到底层去,或者穿过USB线部分打过孔到底层,你这条线走多少速率信号?

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[LV.4]偶尔看看III

 楼主| 发表于 2013-11-4 13:10:59 | 显示全部楼层
一层到二层,二层到三层,距离都是100um,介质都是FR4。
这条线是普通的IO线,开关而已,可以认为大多数情况下是稳定电平。

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[LV.1]初来乍到

发表于 2013-11-4 13:26:09 | 显示全部楼层
你还是把这根线移到其它层 或绕过USB走线区域吧。 USB信号可能对它干扰很大。

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[LV.4]偶尔看看III

 楼主| 发表于 2013-11-4 18:37:41 | 显示全部楼层
OK,多谢myazx。

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[LV.4]偶尔看看III

 楼主| 发表于 2013-11-13 10:18:31 | 显示全部楼层
jjxyym 发表于 2013-11-12 15:36
USB线差分对如果完全对称的话,应该电流为0,不需要回流路径。如果不能的话,还是要遵循高速线路的布线规则 ...

请大家不要被这种说法误导,差分线确实有部分回流存在于差分对之间,但是GND或者POWER层也是非常重要的回流路径,甚至存在感比差分对之间还要重要。
建议有能力的朋友去仿真一下,马上就能看到结果。

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[LV.1]初来乍到

发表于 2013-11-22 10:00:20 | 显示全部楼层
dsjts 发表于 2013-11-13 10:18
请大家不要被这种说法误导,差分线确实有部分回流存在于差分对之间,但是GND或者POWER层也是非常重要的回 ...

对于差分信号,如果D+上的电流是I+,如果严格对称的话,那么D-上的电流必然是I-。因为传输路径上阻抗是一样的,电压是反相的,根据欧姆定律就可以得出了。GND节点的电流(基尔霍夫电流定律)=+I-I=0,所以应该是没有电流的。正因为差分信号对不可能做的完全对称,才会造成GND那片电流不为0,所以需要铺设GND回流。你所说的问题应该是指需要控制差分走线的特征阻抗吧?这个和回流是两个问题(至少我是这么理解的)

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[LV.4]偶尔看看III

 楼主| 发表于 2014-1-17 16:15:04 | 显示全部楼层
criterion 发表于 2013-12-25 13:53
分几点来讨论好了

1.

criterion,你太帅了。
楼主,给加分啊,给加精华啊~

该用户从未签到

发表于 2014-2-25 14:53:01 | 显示全部楼层
我靠  把差分线说神了  

该用户从未签到

发表于 2014-3-11 17:52:14 | 显示全部楼层
把理论与实践和仿真结合的很好的一篇分析

签到天数: 1 天

[LV.1]初来乍到

发表于 2014-3-24 15:46:36 | 显示全部楼层
criterion 你  太牛掰了
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