差分阻抗的概念和實(shí)現(xiàn)有時(shí)都會(huì)被誤解。此外，達(dá)到特定差分阻抗的通道設(shè)計(jì)通常以隨意的方式完成。有時(shí)，我回顧舊設(shè)計(jì)并思考我如何設(shè)計(jì)走線以達(dá)到差分阻抗規(guī)范，然后我意識(shí)到如果我對(duì)差分阻抗有更好的理解，也許我可以做得更好，并為自己省去一些麻煩。

差分阻抗的概念本身是一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，它不能完全捕捉差分走線中每個(gè)信號(hào)的行為。差分阻抗是另一個(gè)重要值的捷徑，奇模阻抗，反之亦然。那么我們需要針對(duì)哪些設(shè)計(jì)以及如何確保信號(hào)在接收器處正確解碼？繼續(xù)閱讀以更深入地了解如何根據(jù)差分阻抗規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)以及它對(duì)您的設(shè)計(jì)意味著什么。

差分阻抗定義

差分阻抗與差分信號(hào)的基本特性有關(guān)。所有差分信號(hào)都由接收器組件解釋為差分信號(hào)（因此稱(chēng)為“差分”）。考慮差分信號(hào)的一種方式是：它是一種傳播的電磁干擾，涉及兩個(gè)不同的信號(hào)，理想情況下沿著一對(duì)走線一起發(fā)送。當(dāng)我們說(shuō)“電磁干擾”時(shí)，我們指的是兩條軌跡周?chē)碾妶?chǎng)和磁場(chǎng)分布。畢竟，這就是 PCB 中導(dǎo)體的全部意義所在：引導(dǎo)和傳輸布局周?chē)碾姶艌?chǎng)。

因此，看看這對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的電磁干擾如何沿兩條跡線傳播是很有趣的。為此，我們需要：

• 電磁場(chǎng)所經(jīng)歷的傳輸線阻抗
• 這種干擾的傳播常數(shù)

如果您知道這些值之一，那么您就可以計(jì)算出另一個(gè)值。設(shè)計(jì)特定差分阻抗的重點(diǎn)是確保我們注入通道的電磁場(chǎng)被解釋為在通道負(fù)載端接收到的相同（或幾乎相同）的電磁場(chǎng)。

這里應(yīng)該有趣的是如何使用每個(gè)跟蹤生成的字段。我的意思是，我們關(guān)心兩個(gè)信號(hào)（它們的場(chǎng)）之間的差異，或者它們的總和，這取決于接收器的功能。因此，就 Telegrapher 方程而言，我們想看看這兩個(gè)信號(hào)的差異的傳播，這是一個(gè)數(shù)學(xué)要求很高的主題，需要定義跡線之間的互電容和電感。

差分阻抗公式

計(jì)算差分阻抗是計(jì)算另一個(gè)重要量的練習(xí)，即奇模阻抗。當(dāng)兩條走線作為差分對(duì)布線并用差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，單條走線的阻抗將是奇模阻抗值。

根據(jù)奇模阻抗定義差分阻抗。

不幸的是，對(duì)于差分阻抗，或更具體地說(shuō)，奇模阻抗，沒(méi)有很多好的分析模型。如果您查看 Brian C. Wadell 的傳輸線設(shè)計(jì)手冊(cè)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)確定一對(duì)微帶線的阻抗需要使用 70 個(gè)公式（參見(jiàn)第 4.5 節(jié)）。這不是印刷錯(cuò)誤，它確實(shí)需要總計(jì)計(jì)算一對(duì)微帶線的奇?；蚺寄Ｗ杩沟?70 個(gè)公式。如果您想使用共面排列或不對(duì)稱(chēng)軌跡，您將需要更少的公式，但您需要計(jì)算橢圓積分，這是我從未做過(guò)的事情，并且會(huì)采用像 MATLAB 或 Mathematica 這樣的應(yīng)用程序。

您可以直接從麥克斯韋方程中獲得互感或互電容，盡管這些結(jié)果是許多研究論文的主題，而且結(jié)果并不總是那么容易使用。它們往往涉及一組具有多個(gè)參數(shù)的丑陋公式。這就是為什么您會(huì)在網(wǎng)上看到如此多的差分阻抗計(jì)算器僅使用 IPC-2141A 公式的原因，這些公式是使用較少公式的近似值。

您應(yīng)該使用特征阻抗還是奇模阻抗？

簡(jiǎn)而言之，奇模阻抗是用于端接的值。關(guān)于奇模阻抗，我希望很久以前就有人告訴我一些非常重要的事情需要注意：

• 走線的奇模阻抗并不總是與走線的特征阻抗相同。

如果你翻轉(zhuǎn)這個(gè)，我們可以重述上面的內(nèi)容如下：

• 特定奇模阻抗所需的走線寬度并不總是與特定特征阻抗所需的走線寬度相同。

換句話說(shuō)，您的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的差分阻抗規(guī)范列出了特定的差分阻抗，您需要通過(guò)設(shè)計(jì)奇模阻抗來(lái)達(dá)到這一點(diǎn)。因此，通常為接收器的并聯(lián)端接引用的值通常是奇模阻抗的兩倍，但走線的每一端只關(guān)心每條走線的奇模阻抗，而不必關(guān)心差分阻抗。

根據(jù)間距和電介質(zhì)厚度，您可能能夠?qū)⑻卣髯杩棺呔€寬度設(shè)置為接近與奇模阻抗走線寬度相同的值。

計(jì)算寬度和間距

如果您計(jì)算出走線達(dá)到特征阻抗目標(biāo)（即50 歐姆）所需的寬度，然后將該寬度插入差分阻抗計(jì)算器中，您會(huì)發(fā)現(xiàn)您不會(huì)總是得到有用的間距結(jié)果; 間距可能太?。?4 密耳）并且可能超出了非常薄的電介質(zhì)的制造能力。相反，對(duì)于較厚的電介質(zhì)，間距最終可能會(huì)非常大。實(shí)際上，在2 層標(biāo)準(zhǔn)厚度 PCB 上，在標(biāo)準(zhǔn)核心上，微帶達(dá)到 50 歐姆阻抗所需的走線寬度約為 105 歐姆。為了使單個(gè)跡線具有等于特征阻抗的奇模阻抗，您的場(chǎng)解算器會(huì)告訴您需要將跡線分開(kāi)大量。如果您使用場(chǎng)解算器，您會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)間距約為 10 英寸時(shí)，它可能會(huì)停止收斂！顯然，這也沒(méi)有用。

一般來(lái)說(shuō)，有許多走線間距和寬度組合可以讓您達(dá)到差分阻抗規(guī)格。您真正設(shè)計(jì)的是奇模阻抗，而不是差分阻抗，差分阻抗只是定義奇模阻抗的規(guī)范。那么，我們不禁要問(wèn)，在沒(méi)有公式的情況下，我們?nèi)绾未_定奇模阻抗以及客觀上“最佳”的走線寬度和間距組合？

比較差分微帶線的寬度和間距

要了解走線寬度和間距的哪種組合會(huì)提供所需的差分阻抗，讓我們看一些仿真結(jié)果。在下面的示例中，我將運(yùn)行以下過(guò)程

• 計(jì)算差分微帶線對(duì)中特定走線寬度所需的走線間距，目標(biāo)是達(dá)到 100 歐姆的目標(biāo)差分阻抗。
• 掃描多個(gè)電介質(zhì)厚度值（到微帶參考平面的距離）。
• 對(duì)于每個(gè)電介質(zhì)厚度值，請(qǐng)注意 50 歐姆特性阻抗所需的走線寬度。

我將在 Altium Designer 中使用層堆棧管理器執(zhí)行這些操作，以便用戶可以復(fù)制它們。在下圖中，我展示了不同走線寬度和電介質(zhì)厚度的差分微帶線所需的一組間距值（下面標(biāo)記為 H，針對(duì) 100 歐姆差分阻抗目標(biāo)和 Dk = 4.8 繪制，不考慮色散或粗糙度）。這里的想法是確定給定寬度所需的間距，目標(biāo)是達(dá)到特定的差分阻抗值。

圖 1. 間距和寬度值對(duì)將在不同厚度的 Dk = 4.8 基板上提供 100 歐姆的差分阻抗。

請(qǐng)注意，為清楚起見(jiàn)，y 軸采用對(duì)數(shù)刻度。我們可以為其他 Dk 值和差分阻抗值生成一組新曲線。這些曲線應(yīng)該說(shuō)明電介質(zhì)厚度的作用；隨著微帶線與其接地平面的距離增加，達(dá)到 100 歐姆阻抗所需的寬度與間距比對(duì)接地距離的依賴(lài)程度降低（參見(jiàn) 60 密耳和 45 密耳阻抗曲線）。

上面顯示的寬度值與 50 歐姆特性阻抗所需的值相比如何？下圖顯示了這些值。這是一個(gè)很好的線性模型，它說(shuō)明了在較寬的走線寬度處發(fā)生的飽和；當(dāng)軌跡很寬時(shí)，寬厚比變得恒定。

圖 2. Dk = 4.8 襯底上特性阻抗為 50 歐姆時(shí)的電介質(zhì)厚度與走線寬度的關(guān)系。

現(xiàn)在根據(jù)上面顯示的特征阻抗和走線寬度/間距對(duì)的值，我們可以確定導(dǎo)致 50 歐姆奇模阻抗的走線寬度也產(chǎn)生 50 歐姆特征阻抗的間距。

圖 3. 不同厚度的 Dk = 4.8 基板上 100 歐姆差分阻抗的間距和寬度比對(duì)。

這個(gè)圖可能看起來(lái)很復(fù)雜，但它有一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋。每條曲線在 y 軸上與 1 相交的間距值將導(dǎo)致差分對(duì)中的走線寬度等于走線不是差分對(duì)的一部分時(shí)的走線寬度，同時(shí)仍提供相同的阻抗。換句話說(shuō)，隔離的走線和成對(duì)的走線在每個(gè)電介質(zhì)厚度的特定間距值下將具有相同的寬度和 50 歐姆阻抗。

不幸的是，奇模阻抗和特性阻抗永遠(yuǎn)不相等；這只會(huì)發(fā)生在大間距限制中，或者當(dāng)成對(duì)被無(wú)限遠(yuǎn)的距離分開(kāi)時(shí)！y = 1 的值是此圖上的漸近線。如果電介質(zhì)很?。?15 密耳），那么對(duì)于差分對(duì)中給定的走線間距，您將更接近于使走線寬度重合。

舉個(gè)例子，如果我們采用圖 3 中 5 密耳的電介質(zhì)，我們計(jì)算奇模阻抗的走線寬度，我們將得到 6.184 密耳。如果我然后使用它來(lái)計(jì)算特征阻抗，我會(huì)得到 55 歐姆的值，或者只有 10% 的偏差。這是在某些信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中您可以接受的阻抗偏差的最高端。例如，USB SuperSpeed 更寬容，允許差分阻抗（因此奇模阻抗）有很大的變化。

使用間距和走線寬度為您帶來(lái)優(yōu)勢(shì)

您可能想知道，具有同時(shí)適用于特征阻抗和奇模阻抗的單一走線寬度真的那么重要嗎？這有三個(gè)很好的理由：

• 它將設(shè)計(jì)差分通道的問(wèn)題從涉及 2 個(gè)變量的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為涉及 1 個(gè)變量：間距。
• 當(dāng)您僅設(shè)計(jì)適用于差分和單端阻抗的單一跡線寬度時(shí)，制造商更容易確保受控阻抗。根據(jù)您設(shè)計(jì)中的容差，您可以使用一種寬度來(lái)滿足單端和差分規(guī)格的容差。
• 您可以在路由差分通道時(shí)解耦走線，甚至非常靠近接收器，而且您不必?fù)?dān)心反射，因?yàn)閺慕邮掌骺?，走線的每一端都將匹配每個(gè)端口的輸入阻抗.

請(qǐng)注意，這在較薄的電介質(zhì)上更容易，在厚電介質(zhì)上，特征跡線寬度和奇模跡線寬度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不會(huì)幾乎相同。如果您想在使用較厚的電介質(zhì)時(shí)有更多的回旋余地，您還可以選擇另一種樣式，例如共面差分對(duì)。

當(dāng)您需要使用定義的差分阻抗進(jìn)行設(shè)計(jì)和布線時(shí)，請(qǐng)使用Altium Designer ? 中最好的一組 PCB 布線、布局和仿真功能。集成的設(shè)計(jì)規(guī)則引擎和層堆棧管理器為您提供設(shè)計(jì)特定差分對(duì)阻抗所需的一切，并在 PCB 中快速布線。當(dāng)您完成設(shè)計(jì)并希望將文件發(fā)布給您的制造商時(shí)，Altium 365 ?平臺(tái)可以輕松地協(xié)作和共享您的項(xiàng)目。

編輯：fqj