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

将差分信号与单端迹线进行对比。
使用差分对进行布局和路由的其他注意事项。
需要或不需要差分对的设计问题。

高速以太网的设计需要特别注意堆叠和阻抗

在过去，如果你使用插在墙上的电话，你就能听到别人的谈话从电话线里传出来。今天，高速PCB设计使用差分对来解决这些类型的问题信号的完整性问题。并非所有组件都将使用差分信令，但差分对是用于高速数字信令协议的主要路由样式，包括标准计算接口(如USB)和网络接口(如以太网)。

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/接收器组件功能方面可能很复杂。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本知识。

什么是单端信号和微分信号?

单端信令和差分信令是设计PCB走线的两种方法。今天，数字接口被标准化以使用这些方法中的一种: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。高电平上升到逻辑电平(5v, 3.3 V等)，低电平定义为零。在微分对中，对中的每个痕迹具有相同的大小，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需要对的长度阻抗匹配在一个小的公差。这里的优点是在读取信号时，共模噪声将被抵消，如上面的概念图所示。以太网差分阻抗匹配，像其他差分对长度匹配一样，可以防止线路中的反射，从而破坏功率传输并导致较差的信号完整性。

布局和路由的单端和差分对考虑

	微分对	单端
阻抗	-特性和微分阻抗指定。	—只指定特性阻抗。
长度匹配	—pair中每个迹线之间的要求。 -多对并行总线之间的要求。	-仅用于并行总线或与源同步时钟匹配。
信号读出
接收方终止	对之间的平行终止(高Z)。	分流终端到地平面(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中的并行路由解决了电路中一些重要的信号完整性问题高速PCB设计．

阻抗匹配(也称为长度匹配)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单个迹线的两倍。然而，交替信号不是静态的;相反，它们在一段时间内在波峰和波谷之间波动。当信号到达接收器时，必须完全失相，以最大限度地提高功率输出。由于到达时间取决于迹迹传播的长度，信号必须具有相同的长度才能在接收机处实现失相状态。虽然在设计中对信号长度发散的程度有一定的容忍，但大多数应用将导致需要将较短信号在内弯时损失的长度补回来。当补回缺失的长度时，应注意在散度发生的轨迹位置进行加长——这一想法是，轨迹的共同距离越多，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影响。

差分信号的布局与关键的单端跟踪没有太大的不同。在合理的范围内，在电路可能导致EMI问题的情况下，组件的放置应该弯曲到差分对。避免将开关稳压器等电源电路放置在离差分对太近的地方，因为感应的影响会很明显。类似地，由于迂回的返回路径会引起极端的电磁干扰问题，应该不惜一切代价避免跨分割平面的路由。

以太网差分阻抗应用提供路由解决方案

在研究高速信号标准时，差动对路由主要使用。微分对的作用主要有两个原因:

共模噪声-差分对在接收机上被读出为两个对之间的信号电平差。换句话说，任何共模噪声都将从接收机中减去，不会干扰接收到的信号。这包括可能从单端信号接收的共模串扰。
不一致的引用-差动对不需要均匀的地平面来提供受控的差动阻抗。相反，它们是相互引用的。有趣的是，通过计算微分对的z参数，很明显，自阻抗和耦合阻抗都发散到无穷大，但它们之间的差异是一个常数。

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，对周围没有地平面。由于信号具有相等的大小和相反的极性，电场终止于差分对的每一边。这张图很好，因为它说明了在UTP电缆(例如Cat5)上的以太网等标准中所见的情况，该电缆在互连的很大一部分可能没有任何接地。

示例差分通道与LVDS

在这个例子中LVDS时，接收端端接100欧姆阻抗，等于对的微分阻抗。这消除了接收端差分信号中的反射。因为差分接收器有高的输入阻抗，限制器被放置在平行的输入，转换注入电流为电压，可以在接收器恢复。

微分信号不能解决什么问题

值得注意的是，微分对并不是解决所有信号完整性问题的灵丹妙药。差分对可能会遇到一些与单端迹线相同的信号完整性问题，但它们以不同的方式表现出来。下面是微分对所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，差分对产生相声和容易受到相声的影响吗．特别是，差分串扰可以在两个差分对之间诱导，这将干扰接收机的信号恢复。
EMI接收-差分信号仍然可以接收来自外部源的辐射EMI，但只有差分模式噪声才会影响接收机。
电磁干扰发射-差分对确实会发出电磁辐射，在其他互连中可以作为共模噪声接收。然而，在对中的每个轨迹的场极性是相反的，所以当对的密度更大时，发射的辐射更弱。
〇信号失真当信号沿着互连传播时，它将经历损耗和色散，这两者都会造成信号失真。微分信号会像单端信号一样产生信号失真。