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差分对回流路径的讨论

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发表于 2014-7-31 10:19:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

高速电路PCB网,专注于嵌入式方案,信号完整性和电源完整性仿真分析,高速电路PCB设计,各种EDA工具(Cadence\Mentor\\AD\\CAM\ANSYS HFSS)交流学习。

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HDMI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?


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
1.jpg
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2013-12-25 13:46 上传
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 :
2.jpg
image003.jpg (16.66KB, 下载次数: 0)
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[3]
2013-12-25 13:46 上传
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。
3.jpg
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2013-12-25 13:46 上传

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。



4.jpg
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[7]
2013-12-25 13:46 上传

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。


5.jpg
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[9]
2013-12-25 13:46 上传


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。
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[11]
2013-12-25 13:47 上传
但表层走线若要达到100奥姆,其间距差不多要10 mil,
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[13]
2013-12-25 13:47 上传


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。


8.jpg
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[15]
2013-12-25 13:47 上传


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


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[17]
2013-12-25 13:47 上传

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。
10.jpg
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[19]
2013-12-25 13:47 上传

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ReturnLoss至少有-20 dB,而Insertion Loss也不大。
11.jpg
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[21]
2013-12-25 13:47 上传

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 :


12.jpg
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[23]
2013-12-25 13:47 上传
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。
13.jpg
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[25]
2013-12-25 13:47 上传


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,
14.jpg
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2013-12-25 13:47 上传
而由下图可知,差分讯号经过开槽时,会产生GND Bounce。
15.jpg
image029.jpg (16.21KB, 下载次数: 0)
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[29]
2013-12-25 13:48 上传

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会有影响。


本文摘自网络某部,感觉很不错,分享给大家,希望大家各抒己见,特别是仿真和SI的朋友


点评

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. 这是显而易见的。 不管是高频信号还是低频信号 回流信号一定是走阻抗最低的路径。 还有 不管是不是差分信号都一定有回流信号的...  发表于 2014-10-15 10:42 AM

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发表于 2014-7-31 10:31:47 | 显示全部楼层
好文章!
高速电路PCB网管理员。www.gaosupcb.com
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发表于 2014-7-31 11:17:30 | 显示全部楼层
技术贴要 好好学习,多多 发表

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发表于 2014-7-31 11:21:17 | 显示全部楼层
开槽  对  GND Bounce的 影响 ,采用的是 什么软件 实现 的 呢?

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发表于 2014-8-4 15:55:28 | 显示全部楼层
今天第一天注册,看到LZ的这些文章,根本停不下来,赞

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非常值得学习的文章

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受益良多
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发表于 2014-8-11 15:57:48 | 显示全部楼层
     很好的文章   谢谢分享

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发表于 2014-9-4 22:56:22 | 显示全部楼层
謝謝阿\            

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发表于 2014-9-5 08:49:41 | 显示全部楼层
好文章。!!!
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