以太网差分阻抗如何影响高速设计

2022年6月22日

关键的外卖

对比差分信号到单端走线。
对差分对的布局和路由的附加考虑。
是否需要微分对的设计问题。

高速以太网的设计需要特别注意堆叠和阻抗

在过去的日子里，如果你使用插在墙上的电话，你可以听到别人的谈话渗入你的电话线。今天，高速PCB设计使用差分对来解决这些类型信号的完整性问题。并非所有组件都将使用差分信号，但差分对是高速数字信号协议使用的主要路由方式，包括USB等标准计算接口和以太网等网络接口。

单端信号和差分信号之间的区别在物理布局层面上很简单，但在信号层面和驱动器/接收器组件功能方面，它们可能很复杂。如果您是第一次使用差分信号，本指南将进一步说明这种方法的复杂性。掌握差分对路由将提供设计以太网差分阻抗以促进信号完整性所需的基础知识。

什么是单端信号和差分信号?

单端和差分信号是设计PCB走线的两种方法。今天，数字接口被标准化为使用这些信令方法之一:低速协议使用单端信令，而高速协议使用差分信令，尽管一些低速协议仍然使用差分信令。这两种类型的信令和路由可用于各种拓扑。

单端信号相当简单。高电平被提升到逻辑电平(5 V, 3.3 V等)，低电平被定义为零。在差分对中，一对中的每条走线都具有相同的幅度，但极性相反。在接收机上，通过取每条线路上信号电平之间的差值来恢复信号。

接收机组件的差分信号恢复

成功的读出和信号恢复要求对的长度在一些小的公差范围内阻抗匹配。这样做的好处是，在读取信号时，共模噪声将被消除，如上图所示。与其他差分对长度匹配一样，以太网差分阻抗匹配可以防止线路中的反射，从而破坏电力传输并导致信号完整性差。

单端和差分对布局和布线的考虑

	微分对	单端
阻抗	-指定特性阻抗和差分阻抗。	—只指定特性阻抗。
长度匹配	-一对中每条走线之间必需。 -需要在并行总线上的多个对之间。	-只需要并行总线或与源同步时钟匹配。
信号读出
接收方终止	对之间的平行端接(高Z)。	将端接转接到接平面(高Z)。
信令标准示例	USB，以太网，RS-232, RS-485, HDMI	I2C, SPI, gpio

差分对的信号读出和恢复过程说明了两个对携带相等和相反极性信号的事实。这种简单的思想和差分对的并行布线解决了一些重要的信号完整性问题高速PCB设计。

阻抗匹配(又称长度匹配)是差分信号设计的一个核心设计方面。如上所述，在接收机处恢复的信号的幅度是任何单个迹线的两倍。然而，交变信号不是静态的;相反，它们在一段时间内在高峰和低谷之间波动。当到达接收器时，信号必须完全同相，以最大限度地提高功率输出。由于到达时间取决于走线行程的长度，因此信号必须具有相同的长度才能在接收器处达到这种非相位条件。虽然在设计中对信号长度的偏差有一定的容错，但大多数应用都需要将短信号在内侧转弯时丢失的长度加回来。当添加回缺失的长度时，应注意在走线中发散发生的位置进行延长-其思想是，走线的距离越长，它们就越有可能在该特定区域的平面上经历相同的局部阻抗效应。

差分信号的布局除了一个关键的单端走线之外没有很大的不同。在合理的情况下，在电路可能引起EMI问题的情况下，元件放置应弯曲到差分对。避免把电源电路，如开关调节器太靠近差分对，因为感应的影响将是明显的。同样，由于迂回返回路径造成的极端EMI问题，应不惜一切代价避免跨分割平面布线。

以太网差分阻抗应用提供路由解决方案

在查看高速信号标准时，差分对布线主要使用。差分对的用处主要有两个原因:

共模噪声-差分对在接收机上作为两对信号电平的差值读出。换句话说，任何共模噪声都将从接收器中去除，并且不会干扰接收到的信号。这包括可能从单端信号接收到的共模串扰。
不一致的参考-差分对不需要一个均匀的地平面来提供可控的差分阻抗。相反，这两个对相互引用。有趣的是，通过计算微分副的z参数，很明显，自阻抗和耦合阻抗都发散到无穷大，但它们之间的差是一个常数。

下图显示了用于低压差分信号(LVDS)的驱动器和接收器级。在这里，这对周围没有地平面。因为信号大小相等，极性相反，电场终止于差分对的每一侧。这张特别的图很好，因为它说明了在UTP电缆上的以太网(例如，Cat5)这样的标准中看到的情况，在互连的重要部分可能没有任何接地。

带LVDS的差分通道示例

在这个例子中LVDS，接收端端接有100欧姆的阻抗，等于对的差分阻抗。这消除了接收端差分信号的反射。由于差分接收器具有高输入阻抗，终端与输入端并联，将注入的电流转换为可在接收器恢复的电压。

差分信号无法解决的问题

需要注意的是，差分对并不是解决所有信号完整性问题的灵丹妙药。差分对可能遇到一些与单端走线相同的信号完整性问题，但它们以不同的方式表现出来。以下是差分对遇到的广泛的信号完整性问题。

差模噪声/相声-与普遍的看法相反，微分对产生相声和容易受到相声的影响。特别是，差分串扰可以在两个差分对之间产生，这将干扰接收器的信号恢复。
电磁干扰接收差分信号仍然可以接收来自外部源的辐射EMI，但只有差模噪声会影响接收器。
电磁干扰发射差分对确实会发射电磁辐射，这种辐射可以在其他互连中作为共模噪声接收。然而，这对中每条迹线的场极性是相反的，所以当这对密度更大时，发射的辐射就更弱。
〇信号失真当信号沿着互连线传播时，它会经历损耗和色散，这两者都会造成信号失真。差分信号和单端信号一样，也会出现信号失真。